La biochimie dans un miroir

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Pomme de reinette et pomme d’api, Jack O’Lantern et feuilles d’automne.

C’est l’automne ! C’est la saison des pommes et des feuilles rouges et jaunes !
Fraîchement débarqué au Québec cette année, je suis bien obligé de reconnaître que l’automne au Canada n’a pas volé sa réputation et que les couleurs sont au rendez-vous. La preuve en image !
Petit aperçu des couleurs de l’automne au Québec
Mais c’est aussi le temps de la récolte de divers fruits : au Québec, on ramasse en famille ou entre amis des quantités considérables de pommes avant l’hiver, histoire d’avoir des fruits bien juteux à se mettre sous la dent lorsque la neige arrivera. En France, on célèbre septembre avec les vendanges et la récolte du raisin. Sans oublier l’arrivée de l’Halloween, fin octobre, à qui l’on doit les nombreuses citrouilles d’un bel orange dans les rues des pays à influence anglo-saxonne…
En haut à gauche, le ramassage des pommes (source) ; en bas à gauche, le raisin mûr des vendanges (source) ; à droite, une belle citrouille d’Halloween (source)
Mais pourquoi je parle de tout ça ? Quel rapport entre les feuilles rouges et les citrouilles, mis à part le fait que tout ça se retrouve à l’automne ? Eh bien, ce sont les couleurs ! Car oui, maintenant qu’on y pense, tous ces végétaux n’ont pas la traditionnelle couleur verte qu’on associe aux plantes. Alors, à quoi sont dues toutes ces couleurs ? Quels sont les mécanismes qui se cachent derrière cette débauche de teintes allant du rouge au jaune en passant par le orange ? Et surtout, quels sont les avantages évolutifs que ces couleurs confèrent aux plantes?
Commençons par nous pencher sur la question du changement de couleur des feuilles des arbres. D’abord, à quoi est due la couleur verte des feuilles au printemps et en été? Au pigment appelé chlorophylle. J’en ai déjà parlé dans cet article là qui date d’il y a un petit moment déjà.
Où se situe la chlorophylle dans les feuilles ? Déjà, il faut savoir qu’une feuille est un organe complexe, organisé en couches.
Coupe d’une feuille (source)
Ce qu’on peut voir sur le schéma précédent, c’est que la couche centrale de la feuille, appelée mésophylle, ou parenchyme,  est le lieu où se situent les cellules responsables de la photosynthèse. Les cellules sont organisées de la manière suivante.
Une cellule végétale, avec les chloroplastes en vert (source)
Dans la cellule, l’organite responsable de la photosynthèse est le chloroplaste (en vert sur la photo précédente). En général, il y en a plusieurs par cellule. Les chloroplastes contiennent des structures en mille-feuilles, appelées les thylakoïdes : ce sont des membranes superposées les unes sur les autres. C’est dans ces membranes que sont incluses les molécules de chlorophylle, qui vont permettre la photosynthèse.
Un chloroplaste, reconstitué en trois dimensions (source)
A présent, je vais (un peu) entrer dans les détails concernant la structure biochimique de la chlorophylle. D’abord il faut savoir qu’on trouve deux types de chlorophylles, les chlorophylles A et B (photo) qui ont une structure très proche l’une de l’autre (elles ne diffèrent que par quelques atomes, représentés par la lettre R sur la figure).
Les deux types de chlorophylle (source)
La chlorophylle, associée à d’autres molécules aux noms tous plus compliqués les uns que les autres dans un ensemble appelé le photosystème, va avoir le rôle de “capteur de photons” (les photons sont les ondes-particules constitutives de la lumière). L’énergie de ces photons sera ensuite utilisée par la plante pour produire au final des sucres et du dioxygène. Mais avant cela, la plante emmagasine l’énergie sous forme chimique, dans des molécules possédant un fort “pouvoir énergétique” – c’est à dire qu’elles libéreront beaucoup d’énergie lorsqu’elles seront utilisées ultérieurement.
Utilisation de l’énergie solaire par les photosystèmes (source)
Sur ce schéma, l’énergie provenant du photon est transférée aux photosystèmes I et II (où se trouvent des molécules de chlorophylle). L’énergie provenant du photon va “exciter” la chlorophylle, qui va perdre un électron, et cet électron va servir à emmagasiner de l’énergie dans les molécules stockeuses d’énergie, qui sont le NADPH et l’ATP. Au final, la chlorophylle récupère son électron perdu en utilisant une molécule d’eau. Toutes ces réactions sont appelées la “phase claire” de la photosynthèse, car elles se déroulent à la lumière. Les sucres seront synthétisés lors de la “phase sombre”, constituée d’une série de réactions dont je ne vais pas parler ici.
Ah au fait, pourquoi les feuilles sont elles vertes en été ? Le vert est donné par la couleur de la chlorophylle. En effet, comme je l’ai dit plus haut, la chlorophylle va absorber l’énergie des photons… mais pas de tous les photons ! Elle est très sélective : seuls les photons “bleus” et “rouges” l’intéressent*. Les autres photons, ceux de “couleur verte”, sont réfléchis par la chlorophylle… et donc par conséquent, nous voyons les feuilles des arbres vertes.
Spectre d’absorption des chlorophylles A et B (source)
La photo précédente montre le spectre d’absorption de la chlorophylle : les pics correspondent aux longueurs d’onde des photons qui sont les mieux utilisés par la chlorophylle. Vous remarquez que la courbe fait un “creux” au niveau des photons “verts” : c’est parce qu’ils ne sont pas absorbés par la chlorophylle !
Bon et maintenant, que se passe-t-il à l’automne ? Je n’ai toujours pas répondu à la question du changement de couleur!
Comme vous le savez certainement, à l’automne, il fait plus froid. Mais il y a encore assez de lumière solaire pour que les plantes continuent à réaliser la photosynthèse… le problème, c’est que lorsque la température diminue, l’efficacité de la chlorophylle diminue aussi, et la plante devient stressée car elle a trop d’énergie solaire qui lui arrive alors qu’elle ne peut pas l’utiliser ! Et là c’est le drame, elle fait une overdose d’énergie, si l’on peut dire : on observe un phénomène appelé photo-inhibition. Suite à ce trop-plein d’énergie, la photo-inhibition va conduire à la destruction des structures cellulaires, via toute une série de réactions que je ne vais pas expliquer ici. Entre autre, cela fait intervenir des radicaux libres, que l’on appelle aussi “Oxygène actif” (et les tâches s’évanouissent… pardon, c’est hors sujet) tels que l’eau oxygénée H2O2et l’oxygène singulet (voir les pages wikipédia en anglais pour la photo-inhibitionet en français pour les radicaux libres). Et ça, vous l’aurez deviné, ce n’est pas bon DU TOUT pour la plante, car la mise en place de la chlorophylle a un coût énergétique élevé. Or, c’est l’automne, bientôt l’hiver, la plante à autre chose “en tête” que de devoir reconstruire des structures abimées.
On observe que la chlorophylle est préservée lorsque les feuilles prennent un coloration rouge, grâce aux anthocyanes, qui sont aussi des pigments végétaux très communs (ce sont eux qui donnent leurs couleurs aux fleurs ou aux fruits).
Formule générale d’une molécule d’anthocyane. Les lettres R sont des groupements d’atomes qui varient selon les différentes molécules d’anthocyanes (source)
Mais attention ! les anthocyanes ne se situent pas dans le chloroplaste comme la chlorophylle, mais dans la vacuole de la cellule. Ce sont des composés solubles.
Et donc, ces petites molécules vont agir comme filtres pour protéger la fragile chlorophylle d’une trop forte intensité lumineuse. Et si les feuilles deviennent rouges, c’est parce que les anthocyanes absorbent tous les photons “verts” mais laissent passer les photons “rouges” et “bleus” qui sont utiles à la chlorophylle.
Spectres d’absorption des chlorophylles et d’un anthocyane (source)
Comme la chlorophylle n’absorbe pas strictement tous les photons qu’elle reçoit, la couleur que nous percevons est la couleur rouge des photons non absorbés. En revanche, les anthocyanes absorbent tous les photons “verts” pour protéger efficacement la chlorophylle.
Bon ! A présent, nous savons comment et pourquoi les feuilles sont rouges en automne.
Et les citrouilles alors ? D’où vient ce bel orange vif ? Est ce que ce sont des anthocyanes dilués qui sont responsables de la couleur ?
Eh bien pas du tout ! Là encore, d’autres pigments sont mis en cause : il s’agit des caroténoïdes, que l’on trouve beaucoup dans… les carottes, c’est bien, y en a qui suivent toujours dans le fond. Et ceux qui ont parcouru le blog de fond en comble me diront qu’on en trouve aussi chez les Flamants Roses. Ces pigments, quant à eux, ne se trouvent pas dans les vacuoles des cellules mais dans les chromoplastes, qui sont en quelque sorte des chloroplastes sans chlorophylle, et qui colorent les structures végétales (chromo signifie “couleur” en Grec) plutôt qu’à faire la photosynthèse. Et c’est pareil chez la plupart des fruits : pommes, oranges, citrons, etc. La variation de couleur entre le rouge et le jaune dépend du type de caroténoïde précis (il en existe de nombreux très semblables qui diffèrent seulement par un atome ou deux… ce qui suffit à changer leurs propriétés en terme de couleurs !). Dans le cas des fruits, ces couleurs servent à les rendre attractifs pour les animaux frugivores (et aussi pour Monsieur et Madame Tout-le-monde qui vont faire leurs courses au supermarché du coin), car n’oublions pas que les fruits sont les structures qui sont responsables de la dissémination des graines et donc, des futures plantes.
Variation de couleurs chez les citrouilles (source)
Voilà, maintenant, vous saurez pourquoi les feuilles sont rouges en été, et pourquoi les citrouilles sont oranges lors de l’Halloween !
* rappelons que la lumière blanche produite par le Soleil est constituée en réalité de différentes ondes électromagnétique visibles, qui possèdent différentes longueurs d’ondes, et qui additionnées les unes aux autres donnent la lumière blanche.
Bibliographie :

David W. Lee and Kevin S. Gould. Why Leaves Turn Red: Pigments called anthocyanins probably protect leaves from lightdamage by direct shielding and by scavenging free radicals. American Scientist, Vol. 90, No. 6 (NOVEMBER-DECEMBER 2002), pp. 524-531

Hock-Eng Khoo, K. Nagendra Prasad, Kin-Weng Kong, Yueming Jiang and Amin Ismail. Carotenoids and Their Isomers: Color Pigments in Fruits and Vegetables. Molecules2011, 16, 1710-1738
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La bactérie à l’arsenic [rediffusion]

pudding
Au début de l’été, et après 18 mois de débats, il semble que l’affaire de la bactérie à l’arsenic ait été définitivement tranchée. La revue Science a en effet publié deux articles réfutant l’affirmation initiale de l’équipe de la NASA. En cette période estivale où je poste des rediffusions sur ce blog, j’en profite pour [...]
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Clair-obscur rétinien…

Allez debout là dedans ! Il est déjà 11H tu vas quand même dormir toute la journée avec un beau soleil pareil… Et chlack ! Ouverture brutale du rideau opaque de la chambre… la victime croit devenir aveugle l’espace d’un instant tandis que la lumière inonde sa “piaule d’ado”.
Scène classique vécue chaque week-end par un grand nombre de parents ravis punir leur progéniture pour un acte inconcevable “de leur temps” où l’on était dans les champs dès l’aube pour effectuer, sans broncher, moultes corvées aujourd’hui disparues. (Mais bien sûr… Faudrait “pas prendre les enfants du bon Dieu pour des canards sauvages !”)

Pour cautionner le réveil tardif de notre adolescent persécuté, postulons que ce dernier passionné d’astronomie a veillé très tard dans la nuit pour observer le ciel étoilé… (La saine occupation que voilà !) Ce faisant il a constaté avec émerveillement qu’après quelques minutes d’observation une multitude de corps célestes invisibles au départ semblaient peu à peu se révéler à lui, évoquant dans son imagination fertile quelque voyage intergalactique digne d’un roman de science fiction. Et donc… notre problème scientifique du jour est le suivant: Comment expliquer une telle sensibilité à la lumière au réveil ? Et Pourquoi voit-on mieux dans l’obscurité après quelques minutes d’adaptation ? (Les deux questions sont liées)

Sensibilité de la rétine… Où, quand et pourquoi ?
Sur ce petit graphique vous pouvez constater que la forte sensibilité à la lumière après un temps passé à l’obscurité n’est pas une vue de l’esprit. Après 8 minutes la rétine centrale est déjà 30% plus sensible, après 45 mn d’obscurité la sensibilité à l’échelle de l’œil est maximale (environ un million de fois plus élevée qu’immédiatement après avoir quitté une zone éclairée).
Ainsi lors de l’ouverture brutale des volets notre vision est 1million de fois plus sensible qu’en conditions d’éclairage normales. La stimulation est alors d’une telle intensité qu’elle provoque, une certaine douleur (exprimée sous forme de bougonnements), une fermeture immédiates des paupières et une enfouissement rapide sous l’oreiller. Comment expliquer cette différence rétine “centrale” / rétine “périphérique” ?  Deux types de cellules photoreceptrices constituent la couche photosensible de la rétine:
  • Les cônes: De différents types ils permettent de percevoir les couleurs avec une bonne acuité visuelle et son localisés au centre la rétine (macula). Ces cellules atteignent rapidement leur maximum de sensibilité (premier plateau du graphique). C’est la vison photopique, en quelque sorte la vision du cruel prédateur fixant sa proie du regard sous le soleil de midi.
  • Les bâtonnets: Majoritaires en périphérie, sont très sensibles  à la lumière mais ne permettent pas la perception des couleurs ou de formes très distinctes (voir le billet: la nuit tous les chats sont gris). C’est ce type de cellules qui permet la vision nocturne ou scotopique, quand tout devient sombre dans la forêt et que des ombres semblent se déplacer sur les cotés, (le prédateur fait moins le malin …) 
Vous pouvez tester la différence de sensibilité en repérant une étoile faiblement lumineuse en périphérie de votre champs de vision, puis en essayant de la fixer vous ne la verrez plus.
    Photo-isomérisation du rétinal : la clé de la vision !
    Dans ces cônes et ces bâtonnets la membrane est déformée et présente des très nombreux replis ou disques (100 pour un cône,  900 pour un bâtonnet). Cette disposition permet d’augmenter beaucoup la surface de membrane qui comprend des éléments enchâssés: les photopigments. Au final un bâtonnet contient 1000 fois plus de photopigments qu’un cône !
    Chaque photopigment est constitué d’une protéine (ex: l’opsine) et d’une molécule photosensible: le rétinal. Cette petite molécule colorée dérive directement de la vitamine A que l’on trouve notamment dans le lait les œufs et le foie… (Et hop ! Une bonne dose d’huile de foie de morue pour notre ado !)
     [Exemple de photopigment des bâtonnets : la rhodopsine formée par le retinal (dérivé la vitamine A) et l'opsine (protéine). Selon le photopigment la protéine peut varier]
    Métarhodopsines prêtes à l’action !
    Lorsqu’un photon percute un photopigment, le rétinal change très vite de conformation, c’est la photoisomérisation. Pour être précis une double liaison au niveau du 11ème carbone du rétinal pivote, on passe d’une forme “cis” à une forme “trans” (comme pour les acides gras …). Cette transformation permet au rétinal de se détacher de l’opsine qui devient “métarhodopsine” et peut alors aller activer tout un tas de protéines de la membrane jusqu’à la création d’un message nerveux. “Bumbo magique” et autre “power-rangers/transformers” ne sont pas loin !
     Pour pouvoir à nouveau stimuler un photopigment le retinal doit retrouver sa forme cis. C’est cette étape qui prend du temps. Et oui les bâtonnets ne possèdent pas l’équipement enzymatique pour régénérer le rétinal. Le boulot est délégué aux cellules situées derrière les bâtonnets qui forment l’épithélium pigmentaire: la couche la plus externe de la rétine. La logistique plutôt lourde qui va avec cette régénération du rétinal n’est pas encore bien connue et surtout dépasse largement le cadre de ce billet.
    [ Une version simplifiée du cycle visuel: L'étape (1) de décoloration, où le rétinal passe d'une forme cis à une forme trans, est très rapide. A l'inverse l'étape (2) est beaucoup plus longue et se déroule notamment dans l’épithélium pigmentaire de la rétine. ]

    Toujours-est-il que qu’après un certain temps sans lumière, un maximum de cellules ont leur rétinal régénéré, en conformation cis, prêts à capter la lumière. Bref la rétine est sur les starting-blocks prête à capter le moindre photon. Ainsi l’œil humain peut théoriquement, si tous ses photopigments sont régénérés atteindre une sensibilité de 10-14 W, ce qui correspond à l’intensité lumineuse d’une bougie à 16 km… et au moment idéal pour ouvrir les volets !
    Plus d’infos:
    Sur le rôle de l’épithélium pigmentaire : http://physrev.physiology.org/content/85/3/845.full.pdf
    Sur le cycle visuel : http://fr.wikipedia.org/wiki/Cycle_visuel
    Sur la transduction du signal par la métarhodopsine: Le cerveau à tous les niveaux
    Vous pouvez aussi relire ce vieil article sur le même: La nuit tous les chats sont gris  PS: L’ouverture et la fermeture rapide de l’iris modulent également l’entrée de lumière au niveau de l’œil et participent donc à l’adaptation à l’obscurité (ouverture rapide de l’iris) ou à la lumière (fermeture de l’iris).
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    Pourquoi les bébés doivent-ils se méfier du froid ?

    Non ce n’est pas de l’humour noir sur une forme d’utilisation des congélateurs domestiques, mais une vraie question : Comment un mammifère à sang chaud et dépourvu de poils à la naissance peut-il résister aux conditions hivernales ? Cette question n’a plus vraiment de sens aujourd’hui dans la mesure où les vêtements, et nos habitations nous protègent de façon efficace du froid hivernal. Mais il y a 2012 ans environ certains ont survécu avec moins que ça emmaillotés dans une mangeoire, avec l’haleine chargé d’un âne et d’un bœuf pour seul chauffage … Est-ce un miracle de Noël ?
    Les nouveaux nés n’aiment pas l’hiver.
    C’est assez intuitif, les nouveaux nés sont sensibles aux chutes de températures et à l’hypothermie. Mais pourquoi cette sensibilité ?
    Tout d’abord il faut savoir que la perte thermique est principalement liée à la surface de peau exposée pour vous en convaincre il vous suffit d’observer les oreilles du renard du désert et de les comparer avec celles du renard polaire (notre renard roux est un bon intermédiaire), une illustration classique de la règle de Allen.

    Les bébés présentent une surface de peau très importante proportionnellement à leur volume corporel, beaucoup plus importante que celle des adultes, du fait d’une loi mathématique. [Lorsque le rayon d'une sphère augmente, la surface de celle-ci augmente proportionnellement au carré du rayon, tandis que le volume augmente proportionnellement au cube du rayon. Une grande sphère à donc un rapport surface volume plus faible qu'une petite sphère...] Les membres avec leur petit diamètre sont une zone de refroidissement importante (un peu comme le bout des doigts pour nous).
    Une autre façon de se protéger du froid est de s’isoler avec une épaisse couche isolante constituée par la peau recouverte de fourrure par exemple ou par une couche de graisse très épaisse située sous la peau. Jugez un peu avec cette coupe transversale d’un phoque (et oui … on prend une bonne scie et on coupe un phoque congelé en deux ! De la grande science !). Chez le bébé rien de tout cela, la peau est très mince et l’isolation par la graisse négligeable, quant aux cheveux ils sont trop fins pour être utiles.
    Coupe transversale chez le Phoque de Weddel montrant l’épaisse couche de graisse hypodermique représentant 58% de la surface de la section
    Enfin coté chauffage central, le frisson (activation des muscles sous cutanés) et l’horripilation (érection des poils) utilisés chez l’adulte en cas de refroidissement n’existent tout simplement pas chez le nouveau né, et ce n’est pas l’activité musculaire de ce feignant qui lui permet de se réchauffer…
    Bref les bébés sont un peu comme une grande maison mal chauffée et mal isolée. Ceci-dit, vous vous en doutez on ne franchit pas la barrière de la sélection naturelle sans être un minimum armé contre le froid…



    L’arme ultime contre le froid : 
    La graisse brune des nouveaux nés…
     C’est une caractéristique que nos petits partagent avec les mammifères hibernant : la présence de graisse brune. C’est une graisse particulière qui représente 5% du poids du nouveau né et se situe principalement dans les régions des épaules, entre les omoplates, vers le cœur, et autour des reins. Sa présence en faible quantité chez l’adulte fut longtemps discutée, mais il semble qu’on la retrouve effectivement (Cypress et al. 2009). Induisant un métabolisme élevé, elle serait associée à l’absence d’obésité. Ce type de graisse bien particulier doit son nom à la présence de nombreuses mitochondries, les « centrales énergétiques » présentes à  l’intérieur de toutes nos cellules. 
    Dans une mitochondrie un transport d’électrons est utilisé pour accumuler des ions H+ entre les deux membranes qui la délimitent (voir schéma). Ce « stockage »  d’ions H+ constitue une forme d’énergie un peu comme l’eau contenue dans un lac de retenue. Le plus souvent cette énergie permet la fabrication d’ATP, via l’ATP synthase une sorte de « dynamo » biologique. Le transport d’ions H+ est donc couplé avec la production d’ATP.
    Dans le cas de la graisse brune, la membrane de la mitochondrie comprend une protéine particulière dite découplante (UCP : UnCoupling Protein) encore appelée thermogénine. Ces deux noms conviennent à la perfection. D’une part parce que la protéine UCP dissocie la rétention d’ions H+ de la production d’ATP il y a donc découplage. D’autre part parce qu’elle permet l’utilisation de cette forme d’énergie pour produire de la chaleur. Le courant d’ions H+ ne passe plus par l’ATP synthase mais par la thermogénine ce qui suffit à produire une chaleur considérable. L’énergie de la roue de vélo qui tourne n’alimente plus la dynamo mais se dissipe sous forme de chaleur au niveau des freins… On parle alors de « thermogénèse sans frisson ». Comme la graisse brune est située à proximité des plus gros vaisseaux sanguins la chaleur se repartie ensuite rapidement dans l’organisme.
    La graisse brune des nouveaux nés, et le mécanisme de la thermogénèse sans frissons permis par la protéine découplante UCP-1 (Thermogénine)
    Bien sur l’importance des comportements de soins parentaux, habillement, maintien à proximité d’une source de chaleur, etc. sont des moyens de lutte contre l’hypothermie probablement nettement plus importants que la graisse brune. Il est même envisageable que le cout énergétique de la graisse brune soit si important qu’il ait pu représenter un désavantage sélectif entrainant sa disparition rapide à l’âge adulte au profit de la graisse blanche qui nous cause tant de soucis sanitaires à l’heure actuelle…
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    PS : Nous sommes encore en Janvier, donc bonne année à tous mes lecteurs fidèles et infidèles. Toutes mes excuses pour cette longue absence (depuis décembre !). Malheureusement l’année risque d’être chargée pour moi  au moins jusqu’à Pâques ! L’objectif reste de maintenir un article par mois malgré tout…
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