chapitre 4 Le carbone et la diversité moléculaire de la vie 63
4
Le carbone
et la diversité
moléculaire
de la vie
ConCepts Clés
4.1 La chimie organique étudie les composés
du carbone
4.2 Les atomes de carbone peuvent former
une grande variété de molécules en se liant
à quatre autres atomes
4.3 Le fonctionnement des molécules biologiques
repose sur quelques groupements chimiques
IntroduCtIon
Le carbone : l’élément fondamental
des êtres vivants
L’eau est le milieu universel de la vie sur Terre, mais c’est le
carbone qui constitue l’élément fondamental de la plupart des
substances chimiques qui composent les êtres vivants, comme
les plantes et le cerf de Roosevelt illustrés à la figure 4.1. Le
carbone entre dans la biosphère grâce à l’action des Végétaux
qui captent l’énergie solaire pour convertir le CO 2 atmosphérique en molécules de la vie. Ces molécules sont ensuite
absorbées par les Animaux qui consomment des Végétaux.
De tous les éléments chimiques, le carbone n’a pas son
pareil pour former des molécules volumineuses, complexes
et variées. Cette diversité moléculaire a rendu possible la
diversité des organismes qui ont évolué sur Terre. Les protéines, l’ADN, les glucides et les autres molécules qui caractérisent la matière vivante contiennent tous des atomes de
carbone. Ceuxci sont liés les uns aux autres et à des atomes
d’autres éléments. Bien que les molécules complexes renferment d’autres éléments, tels que l’hydrogène (H), l’oxygène (O), l’azote (N) et parfois du soufre (S) ou du phosphore
(P), c’est au carbone (C) que nous devons l’infinie variété
des molécules organiques.
Le chapitre 5 portera tout particulièrement sur les molécules
biologiques volumineuses comme les protéines. Dans le présent chapitre, nous étudierons les propriétés de molécules
plus petites. Nous les utiliserons pour illustrer des concepts
d’architecture moléculaire qui aideront à expliquer l’importance que le carbone revêt pour la vie et qui mettront en
lumière une fois de plus le thème de l’émergence : l’organisation de la matière vivante fait apparaître des propriétés que
chacune de ses composantes prise isolément ne possède pas.
ConCept
4.1
La chimie organique étudie
les composés du carbone
Pour des raisons historiques, les substances qui contiennent
du carbone s’appellent composés organiques, et la branche de
la chimie qui les étudie se nomme chimie organique. Les
composés organiques varient des molécules simples, telles
que le méthane (CH 4 ), aux molécules gigantesques, comme
les protéines, qui possèdent chacune des milliers d’atomes.
En plus des atomes de carbone, la plupart des composés organiques possèdent des atomes d’hydrogène.
Les principaux éléments de la vie (C, H, O, N, S et P) se
retrouvent à peu près dans les mêmes pourcentages d’un être
vivant à l’autre. Cependant, en raison de la polyvalence du
carbone, cet ensemble limité d’éléments constitutifs est agencé
de si nombreuses façons qu’il forme une variété inépuisable
de molécules organiques. Les diverses espèces ainsi que les
différents individus d’une même espèce se distinguent par
les variations de leurs molécules organiques.
Depuis des millénaires, l’humain tire profit des êtres vivants
qui peuvent lui fournir des substances précieuses. Pensons,
par exemple, à la nourriture, aux médicaments et aux fibres
textiles. La chimie organique tire son origine des tentatives
de purification et d’amélioration de ces produits. Au début
des années 1800, les chimistes ont appris à fabriquer en laboratoire de nombreux composés simples en combinant des
éléments dans les bonnes conditions. La synthèse artificielle
de molécules complexes, comme celles que l’on peut extraire de
la matière vivante, semblait alors impossible. À cette époque,
le chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius fit une distinction
importante. Il différencia les composés organiques, que seuls
les êtres vivants pouvaient vraisemblablement fabriquer, et
m Figure 4.1 Quelles propriétés font du carbone
l’élément fondamental de tous les êtres vivants ?
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Le carbone
et la diversité
moléculaire
de la vie
ConCepts Clés
4.1 La chimie organique étudie les composés
du carbone
4.2 Les atomes de carbone peuvent former
une grande variété de molécules en se liant
à quatre autres atomes
4.3 Le fonctionnement des molécules biologiques
repose sur quelques groupements chimiques
IntroduCtIon
Le carbone : l’élément fondamental
des êtres vivants
L’eau est le milieu universel de la vie sur Terre, mais c’est le
carbone qui constitue l’élément fondamental de la plupart des
substances chimiques qui composent les êtres vivants, comme
les plantes et le cerf de Roosevelt illustrés à la figure 4.1. Le
carbone entre dans la biosphère grâce à l’action des Végétaux
qui captent l’énergie solaire pour convertir le CO 2 atmosphérique en molécules de la vie. Ces molécules sont ensuite
absorbées par les Animaux qui consomment des Végétaux.
De tous les éléments chimiques, le carbone n’a pas son
pareil pour former des molécules volumineuses, complexes
et variées. Cette diversité moléculaire a rendu possible la
diversité des organismes qui ont évolué sur Terre. Les protéines, l’ADN, les glucides et les autres molécules qui caractérisent la matière vivante contiennent tous des atomes de
carbone. Ceuxci sont liés les uns aux autres et à des atomes
d’autres éléments. Bien que les molécules complexes renferment d’autres éléments, tels que l’hydrogène (H), l’oxygène (O), l’azote (N) et parfois du soufre (S) ou du phosphore
(P), c’est au carbone (C) que nous devons l’infinie variété
des molécules organiques.
Le chapitre 5 portera tout particulièrement sur les molécules
biologiques volumineuses comme les protéines. Dans le présent chapitre, nous étudierons les propriétés de molécules
plus petites. Nous les utiliserons pour illustrer des concepts
d’architecture moléculaire qui aideront à expliquer l’importance que le carbone revêt pour la vie et qui mettront en
lumière une fois de plus le thème de l’émergence : l’organisation de la matière vivante fait apparaître des propriétés que
chacune de ses composantes prise isolément ne possède pas.
ConCept
4.1
La chimie organique étudie
les composés du carbone
Pour des raisons historiques, les substances qui contiennent
du carbone s’appellent composés organiques, et la branche de
la chimie qui les étudie se nomme chimie organique. Les
composés organiques varient des molécules simples, telles
que le méthane (CH 4 ), aux molécules gigantesques, comme
les protéines, qui possèdent chacune des milliers d’atomes.
En plus des atomes de carbone, la plupart des composés organiques possèdent des atomes d’hydrogène.
Les principaux éléments de la vie (C, H, O, N, S et P) se
retrouvent à peu près dans les mêmes pourcentages d’un être
vivant à l’autre. Cependant, en raison de la polyvalence du
carbone, cet ensemble limité d’éléments constitutifs est agencé
de si nombreuses façons qu’il forme une variété inépuisable
de molécules organiques. Les diverses espèces ainsi que les
différents individus d’une même espèce se distinguent par
les variations de leurs molécules organiques.
Depuis des millénaires, l’humain tire profit des êtres vivants
qui peuvent lui fournir des substances précieuses. Pensons,
par exemple, à la nourriture, aux médicaments et aux fibres
textiles. La chimie organique tire son origine des tentatives
de purification et d’amélioration de ces produits. Au début
des années 1800, les chimistes ont appris à fabriquer en laboratoire de nombreux composés simples en combinant des
éléments dans les bonnes conditions. La synthèse artificielle
de molécules complexes, comme celles que l’on peut extraire de
la matière vivante, semblait alors impossible. À cette époque,
le chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius fit une distinction
importante. Il différencia les composés organiques, que seuls
les êtres vivants pouvaient vraisemblablement fabriquer, et
m Figure 4.1 Quelles propriétés font du carbone
l’élément fondamental de tous les êtres vivants ?