36 première partie La chimie de la vie
naturelle de la matière est d’occuper le niveau d’énergie potentielle le plus bas possible. Pour rétablir l’énergie potentielle
de l’eau ayant coulé, il faut produire du travail ; celui-ci permettra de faire remonter l’eau jusqu’au réservoir malgré la
force de gravitation.
Les électrons d’un atome, qui sont chargés négativement,
possèdent eux aussi de l’énergie potentielle en raison de leur
disposition par rapport au noyau, chargé positivement. Les
électrons de charge négative sont attirés par le noyau de
charge positive. Plus ils sont éloignés du noyau, plus leur énergie potentielle est élevée, étant donné qu’il faut fournir un travail pour éloigner un électron donné du noyau. Contrai rement
à la variation continue de l’énergie potentielle de l’eau qui
s’écoule vers le bas, les changements d’énergie potentielle
des électrons s’effectuent par étapes, de façon discontinue.
Un électron possédant une certaine énergie potentielle peut
se comparer à une balle descendant un escalier (figure 2.8a).
La balle a différentes quantités d’énergie potentielle selon la
marche sur laquelle elle se trouve, et elle ne peut passer beaucoup de temps entre les marches. De même, l’énergie potentielle d’un électron est déterminée par son niveau d’énergie.
Un électron ne peut pas exister entre des niveaux d’énergie.
Le niveau énergétique d’un électron est lié à sa distance
moyenne du noyau. Les électrons occupent différentes
couches électroniques, chacune se caractérisant par une
distance moyenne et un niveau énergétique particuliers.
Dans des schémas, on peut représenter les couches électroniques par des anneaux concentriques (figure 2.8b). La
première couche est la plus proche du noyau, et les électrons
qui s’y trouvent possèdent l’énergie la plus faible. Les électrons situés dans la deuxième couche ont plus d’énergie,
ceux de la troisième couche, plus encore. Un électron peut
passer d’une couche à une autre seulement en absorbant ou en
perdant une quantité d’énergie égale à la différence d’énergie
potentielle entre l’ancienne couche et la nouvelle. Pour gagner
une couche plus éloignée du noyau, l’électron doit absorber de
l’énergie. Par exemple, la lumière peut l’exciter et le faire
passer à un niveau énergétique supérieur. (En fait, il s’agit là
de la première étape de la photosynthèse, durant laquelle les
Végétaux captent l’énergie lumineuse. C’est le processus qui
leur permet de produire des composés organiques à partir de
dioxyde de carbone et d’eau.) Au contraire, pour regagner
une couche située plus près du noyau, l’électron doit perdre
de l’énergie, habituellement en la libérant dans l’environnement sous forme de chaleur. Ainsi, quand les rayons du Soleil
excitent les électrons contenus à la surface d’une voiture,
b Figure 2.7 Une image
obtenue grâce à la tomographie par émission de
positons, une application
médicale des radio-isotopes.
La tomographie par émission
de positons détecte les sites
d’activité chimique intense dans
l’organisme. Le point jaune clair
révèle une région où le niveau
de glucose marqué d’un isotope radioactif est élevé, ce
qui indique une activité métabolique élevée, une caractéristique d’un tissu cancéreux.
Tissu
cancéreux
de la gorge
. Figure 2.6
Les traceurs radioactifs
ApplICAtIon Les scientifiques utilisent des radio-isotopes pour marquer certaines substances chimiques dans le but de suivre les étapes
d’un processus métabolique, ou encore de localiser un composé dans
une cellule ou dans un organisme. Dans l’exemple qui suit, un chercheur
effectue une expérience qui vise à déterminer comment la température
modifie la vitesse de réplication de l’ADN dans certaines cellules.
teCHnIQue
Substances contenant
un traceur radioactif
(bleu clair)
Incubateurs
10 °C 15 °C
20 °C
25 °C 30 °C 35 °C
40 °C 45 °C 50 °C
Cellules humaines
ADN (ancien et nouveau)
10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50°
1 Le chercheur
commence par
cultiver des cellules dans un milieu
contenant les composés nécessaires
à la fabrication de l’ADN. L’un de
ceux-ci est marqué à l’aide d’un isotope radioactif de l’hydrogène,
3
H.
Il incube ensuite à différentes températures neuf récipients contenant
des échantillons des cellules. Chaque nouvelle copie d’ADN que les
cellules fabriqueront incorporera le traceur radioactif.
2 Il place les cellules
de chaque incubateur
dans des éprouvettes,
isole leur ADN et
élimine les composés
marqués qui n’ont
pas réagi.
1
2
3 Il ajoute ensuite une solution appelée scintillateur dans les éprouvettes,
qu’il place dans un compteur à scintillation. La désintégration de
3
H dans le
nouvel ADN émet des radiations qui excitent les réactifs dans le scintillateur
et provoquent leur scintillement. Le compteur enregistre les scintillations.
résultAts La fréquence des scintillations émises se mesure en coups par
minute ; elle est proportionnelle à la quantité de traceur radioactif présent,
ce qui indique la quantité de nouvel ADN. Si le chercheur représente graphiquement les coups par minute des différents échantillons d’ADN en fonction
de la température, il
constatera que la température agit de façon
importante sur la
vitesse de synthèse de
l’ADN ; on voit dans
le graphique que la
température optimale
est 35 °C.
méthode de recherche
Coups par minute
(ϫ 1 000)
Température (°C)
10
40
50
30
20
30
20
10
0
Température
optimale pour
la synthèse
de l’ADN
naturelle de la matière est d’occuper le niveau d’énergie potentielle le plus bas possible. Pour rétablir l’énergie potentielle
de l’eau ayant coulé, il faut produire du travail ; celui-ci permettra de faire remonter l’eau jusqu’au réservoir malgré la
force de gravitation.
Les électrons d’un atome, qui sont chargés négativement,
possèdent eux aussi de l’énergie potentielle en raison de leur
disposition par rapport au noyau, chargé positivement. Les
électrons de charge négative sont attirés par le noyau de
charge positive. Plus ils sont éloignés du noyau, plus leur énergie potentielle est élevée, étant donné qu’il faut fournir un travail pour éloigner un électron donné du noyau. Contrai rement
à la variation continue de l’énergie potentielle de l’eau qui
s’écoule vers le bas, les changements d’énergie potentielle
des électrons s’effectuent par étapes, de façon discontinue.
Un électron possédant une certaine énergie potentielle peut
se comparer à une balle descendant un escalier (figure 2.8a).
La balle a différentes quantités d’énergie potentielle selon la
marche sur laquelle elle se trouve, et elle ne peut passer beaucoup de temps entre les marches. De même, l’énergie potentielle d’un électron est déterminée par son niveau d’énergie.
Un électron ne peut pas exister entre des niveaux d’énergie.
Le niveau énergétique d’un électron est lié à sa distance
moyenne du noyau. Les électrons occupent différentes
couches électroniques, chacune se caractérisant par une
distance moyenne et un niveau énergétique particuliers.
Dans des schémas, on peut représenter les couches électroniques par des anneaux concentriques (figure 2.8b). La
première couche est la plus proche du noyau, et les électrons
qui s’y trouvent possèdent l’énergie la plus faible. Les électrons situés dans la deuxième couche ont plus d’énergie,
ceux de la troisième couche, plus encore. Un électron peut
passer d’une couche à une autre seulement en absorbant ou en
perdant une quantité d’énergie égale à la différence d’énergie
potentielle entre l’ancienne couche et la nouvelle. Pour gagner
une couche plus éloignée du noyau, l’électron doit absorber de
l’énergie. Par exemple, la lumière peut l’exciter et le faire
passer à un niveau énergétique supérieur. (En fait, il s’agit là
de la première étape de la photosynthèse, durant laquelle les
Végétaux captent l’énergie lumineuse. C’est le processus qui
leur permet de produire des composés organiques à partir de
dioxyde de carbone et d’eau.) Au contraire, pour regagner
une couche située plus près du noyau, l’électron doit perdre
de l’énergie, habituellement en la libérant dans l’environnement sous forme de chaleur. Ainsi, quand les rayons du Soleil
excitent les électrons contenus à la surface d’une voiture,
b Figure 2.7 Une image
obtenue grâce à la tomographie par émission de
positons, une application
médicale des radio-isotopes.
La tomographie par émission
de positons détecte les sites
d’activité chimique intense dans
l’organisme. Le point jaune clair
révèle une région où le niveau
de glucose marqué d’un isotope radioactif est élevé, ce
qui indique une activité métabolique élevée, une caractéristique d’un tissu cancéreux.
Tissu
cancéreux
de la gorge
. Figure 2.6
Les traceurs radioactifs
ApplICAtIon Les scientifiques utilisent des radio-isotopes pour marquer certaines substances chimiques dans le but de suivre les étapes
d’un processus métabolique, ou encore de localiser un composé dans
une cellule ou dans un organisme. Dans l’exemple qui suit, un chercheur
effectue une expérience qui vise à déterminer comment la température
modifie la vitesse de réplication de l’ADN dans certaines cellules.
teCHnIQue
Substances contenant
un traceur radioactif
(bleu clair)
Incubateurs
10 °C 15 °C
20 °C
25 °C 30 °C 35 °C
40 °C 45 °C 50 °C
Cellules humaines
ADN (ancien et nouveau)
10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50°
1 Le chercheur
commence par
cultiver des cellules dans un milieu
contenant les composés nécessaires
à la fabrication de l’ADN. L’un de
ceux-ci est marqué à l’aide d’un isotope radioactif de l’hydrogène,
3
H.
Il incube ensuite à différentes températures neuf récipients contenant
des échantillons des cellules. Chaque nouvelle copie d’ADN que les
cellules fabriqueront incorporera le traceur radioactif.
2 Il place les cellules
de chaque incubateur
dans des éprouvettes,
isole leur ADN et
élimine les composés
marqués qui n’ont
pas réagi.
1
2
3 Il ajoute ensuite une solution appelée scintillateur dans les éprouvettes,
qu’il place dans un compteur à scintillation. La désintégration de
3
H dans le
nouvel ADN émet des radiations qui excitent les réactifs dans le scintillateur
et provoquent leur scintillement. Le compteur enregistre les scintillations.
résultAts La fréquence des scintillations émises se mesure en coups par
minute ; elle est proportionnelle à la quantité de traceur radioactif présent,
ce qui indique la quantité de nouvel ADN. Si le chercheur représente graphiquement les coups par minute des différents échantillons d’ADN en fonction
de la température, il
constatera que la température agit de façon
importante sur la
vitesse de synthèse de
l’ADN ; on voit dans
le graphique que la
température optimale
est 35 °C.
méthode de recherche
Coups par minute
(ϫ 1 000)
Température (°C)
10
40
50
30
20
30
20
10
0
Température
optimale pour
la synthèse
de l’ADN