Section 1 · Chimie de la vie
La chimie est à la base même des sciences de la vie. Les organismes peuvent être considérés comme des usines chimiques qui effectuent une myriade de réactions à chaque seconde, simplement pour rester en vie. Ainsi, pour étudier les éléments constitutifs de la vie, nous devons d'abord comprendre les bases de la chimie.
Cette section vous donnera une brève introduction aux éléments d'importance biologique, à la structure atomique, aux isotopes et aux enveloppes électroniques.
Le tableau périodique compte plus d'une centaine d'éléments chimiques, mais seul un nombre relativement faible d'entre eux est très pertinent en biologie.
Environ 98% de la masse de la plupart des organismes est constituée de ces six éléments représentés en rouge : hydrogène (H), carbone (C), azote (N), oxygène (O), phosphore (P) et soufre (S). Un autre sous-ensemble d'éléments représentés en jaune est présent en plus petite quantité, mais reste très important. Il s'agit du potassium (K), du calcium (Ca), du sodium (Na), du chlore (Cl) et du magnésium (Mg), entre autres.
Les atomes sont constitués de trois types de particules : des électrons chargés négativement, des protons chargés positivement et des neutrons non chargés. Le cœur de l'atome (noyau) est constitué de protons et de neutrons, tandis que les électrons gravitent autour du noyau. Un atome de carbone (C), par exemple, possède 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons, d'où une charge globale neutre. Le numéro atomique (6) se rapporte au nombre de protons, qui détermine finalement l'élément. La masse atomique de 12,011 est principalement due aux 12 particules du noyau, tandis que les électrons ne contribuent pas beaucoup à la masse totale.
Cette représentation typique d'un atome est une simplification et n'est pas du tout proportionnelle. Les orbites peuvent plutôt être considérées comme des niveaux d'énergie différents. En outre, les électrons sont minuscules par rapport aux protons et aux neutrons, mais la couche électronique d'un atome, c'est-à-dire la zone dans laquelle se trouvent les électrons, est gigantesque. Si un noyau avait la taille d'une tête d'épingle, l'enveloppe serait aussi grande qu'une cathédrale. Malgré tout, ce modèle simplifié est très utile et suffisamment complexe pour nous permettre d'avancer.
Comme nous l'avons appris précédemment, le nombre de protons détermine la nature de l'élément. Cependant, un élément peut parfois avoir des variantes comportant un nombre différent de neutrons. Ces versions sont appelées isotopes.
L'hydrogène (H ou ¹H) possède la structure atomique la plus simple, composée uniquement d'un proton et d'un électron. Le deutérium (²H) et le tritium (³H) sont des isotopes de l'hydrogène dont le noyau contient des neutrons supplémentaires. Les isotopes sont souvent instables, ce qui entraîne la désintégration de leur noyau et l'émission de rayonnements au cours du processus.
Le nombre d'électrons propre à chaque élément gouverne la manière dont les différents éléments se comportent dans les réactions chimiques, qui impliquent des changements dans les interactions électroniques.
Les électrons se trouvent dans différentes couches autour du noyau. La couche la plus interne peut contenir jusqu'à deux électrons, la suivante peut en contenir huit, et la troisième peut en contenir jusqu'à 18. La couche la plus externe de tout atome est appelée couche de valence, qui est la plus importante pour les interactions chimiques.
Dans les couches électroniques, les électrons s'apparient dans ce que l'on appelle des orbitales. Les atomes tendent à remplir les orbitales de leur couche externe avec des paires d'électrons, ce qui rend les éléments réactifs afin d'atteindre un état de grande stabilité. L'oxygène, par exemple, a besoin de deux électrons supplémentaires pour remplir toutes les orbitales de sa couche de valence. Le soufre, bien qu'il possède une troisième couche, a lui aussi besoin de deux électrons, tandis que le carbone en a besoin de quatre, tout comme le silicium.
Dans la section suivante, nous verrons comment se forment les liaisons chimiques.
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