Question:
Pourquoi le fluor, ou le néon, n'est-il pas le dernier accepteur d'électrons dans la respiration cellulaire?
Thomas Dang
2018-11-13 17:02:42 UTC
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Je suis un étudiant en chimie et j'apprends les tendances périodiques. Je sais que dans la respiration cellulaire (de nombreux organismes), l'oxygène sert d'accepteur d'électrons final en raison de sa forte électronégativité.

Cependant, en appliquant les tendances périodiques, le fluor est plus électronégatif que l'oxygène, et le gaz noble néon encore plus que le fluor. Pourquoi aucun de ces derniers n'est-il l'accepteur final d'électrons? Je sais que dans certains organismes, l'accepteur d'électrons final est le soufre. Mais je n'ai jamais entendu parler de fluor ou de néon. Pourquoi?

@CarlWitthoft Pour être tout à fait juste, l'oxygène moléculaire fait beaucoup de choses intéressantes qui sont apparemment incompatibles avec la vie (et l'étaient en fait pendant quelques milliards d'années).
La raison pour laquelle Neon n'est pas le dernier accepteur d'électrons est simple: il n'accepte pas les électrons ;-). (La question de son électro-négativité est apparemment compliquée; sur l'échelle de Pauli, elle n'en est pas affectée.)
Imaginez combien de personnes mourraient si elles devaient respirer du néon. Ou du fluor. Pas seulement parce que c'est toxique (vraisemblablement ce ne le serait pas, si on le respirait) mais * d'où diable l'obtenir? *
Le fluor en biochimie serait comme avoir un diable de Tasmanie pour un chien de bourse. Parfois, vous ne voulez pas du personnage le plus extrême à chaque fête.
Cinq réponses:
Nicolai
2018-11-13 18:51:54 UTC
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L'une des principales raisons pour lesquelles la biologie moderne (!) utilise l'oxygène comme accepteur d'électrons est la disponibilité.

Il y a environ 2,45 milliards d'années, l'oxygène (O $ _ 2 $ ) a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère (qui effectivement tué un lot de formes de vie / bactéries à ce stade). Depuis lors, les formes de vie consommant de l'oxygène ont pu s'établir. Avant cela, la plupart des organismes utilisaient probablement principalement de l'hydrogène (élémentaire) comme accepteurs d'électrons.

En plus d'être pas vraiment disponible dans l'atmosphère, il y a d'autres raisons pour lesquelles le fluor ou le néon ne font pas de bons accepteurs d'électrons biologiques :

  • Bien que le fluor élémentaire (F $ _ 2 $ ) soit en effet extrêmement électronégatif, cela le rend si réactif qu'il:
    a) ne pouvait pas être contrôlé par la biologie [la réactivité de l'oxygène est la raison pour laquelle il a tué tant de bactéries en premier lieu] et
    b) ne se produit tout simplement pas (ou du moins reste) à l'état élémentaire dans la nature (il n'est pas de F mesurable $ _ 2 $ dans notre atmosphère).
  • Neon (et autres gaz rares) sont en théorie aussi assez électronégatifs, en fait à tel point qu'ils ne * se produisent jamais sans leurs électrons et ne réagissent donc pas du tout.

* Il est en quelque sorte possible de se former composés de gaz rares, mais cela nécessite des produits chimiques très spécifiques conditions de réaction, qui se produisent principalement dans des conditions artificielles contrôlées (et ne sont pas bonnes pour les formes de vie biologiques).

Je soupçonne qu'une autre raison est la simple disponibilité. L'oxygène est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre, le fluor est relativement rare (> 0,1%) et étroitement lié aux composés.
Il existe des exemples de * fluor gazeux * dans la nature (dans certains minéraux) mais ils sont assez rares. [YouTube] (https://youtu.be/TQDjILTly3s) et communiqués de presse [1] (https://www.internetchemistry.com/news/2012/jul12/elemental-fluorine-nature.php), [2] ( https://www.wiley.com/WileyCDA/PressRelease/pressReleaseId-105111.html)
Notez que l'oxygène était * disponible * pour les organismes bien avant le GOE, simplement sous forme liée.
Ouais, essayez de respirer F2, ce ne sera pas amusant.
DevSolar
2018-11-13 22:55:27 UTC
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Disponibilité et applicabilité.

Disponibilité.

Au début, il y avait du CO2. Il était abondant dans l'atmosphère, et plus tard, dans les océans.

Le fluor et le néon n'étaient pas, et donc la respiration a évolué autour de ce qui était (et est) disponible.

Réf .: Paeloclimatologie / Histoire de l'atmosphère.

Applicabilité.

L'autre point à propos de l'oxygène est qu'il fonctionne plutôt magnifiquement dans les deux sens. Les chloroplastes peuvent facilement diviser le CO2 et H2O en glucose et O2 avec un peu de soleil. L'hémoglobine peut combiner à la fois O2 et CO2 avec juste une petite différence de pression partielle. Les mitochondries peuvent traverser le cycle de l'acide citrique sans être détruites dans le processus.

Une fois que le fluor a pris possession d'un autre atome et formé une molécule, il sera assez difficile pour un organisme de le relâcher, et si c'est le cas, le fluor voudra réagir avec quelque chose , quelque chose de vraiment, que ce soit bon ou non pour l'organisme.

À l'autre bout , le néon ne veut pas réagir avec quoi que ce soit.

Donc, alors que chimiquement il y a un point à souligner pour l'oxydant le plus énergétique, l'évolution / un organisme n'est pas «intéressé» par le seul contenu énergétique. La substance doit être disponible et le processus doit être quelque peu durable. L'oxygène a coché ces cases, le fluor et le néon non.

Même les scientifiques des fusées, qui recherchent vraiment les composés les plus énergétiques sur lesquels ils peuvent mettre la main, ont abandonné l'idée de le fluor comme propulseur car il n'est pas sûr de le manipuler sous forme non combinée. Il y a une leçon là-dedans.

La disponibilité n'est pas le problème fondamental du néon. Même si la moitié de l'atmosphère était au néon, nous ne l'utiliserions pas pour la respiration.
@DavidRicherby: On pourrait dire la même chose du fluor. Les deux facteurs - indisponibilité et inadéquation chimique - s'appliquent. L'une ou l'autre suffirait à elle seule comme explication.
+1 pour l'exemple de fusée
@Pere: Je ne peux penser à aucune meilleure façon d'impressionner l'étendue de la réactivité malveillante du fluor et de la toxicité furieuse de plusieurs de ses composés que même les spécialistes des fusées disent "non, ne touchera pas ça". ;-)
Je pense que l'exemple du spécialiste des fusées est imparfait, parce que ces spécialistes des fusées appartiennent à un système biologique qui * a * évolué en utilisant l'oxygène. Raisonner après le fait de l'évolution sous la disponibilité de l'oxygène ne dit pas que l'évolution sous la disponibilité prédominante de fluor n'aurait pas pu conduire à des systèmes biologiques (fonctionnels). Pour citer un autre exemple: H₂O est vraiment un solvant très agressif et corrosif. Mais nous sommes parfaitement adaptés pour y faire face et l'utiliser, et donc c'est bien pour nous, alors que, disons, H₂S ne l'est pas. Cependant, déjà si vous demandez un oxydant de soufre ...
... bactéries, leur "point de vue" sera considérablement différent.
@cbeleites: Qui d'une part nous ramène à la «disponibilité» - H2O était sur cette planète bien avant la vie, donc naturellement la vie a évolué pour être tolérante à H2O. La «disponibilité» prédominante du fluor signifierait une abondance de composés fluorés *, et vous seriez toujours confronté au problème de les briser pour qu'un organisme fasse quoi que ce soit avec le fluor (qui ne détruit pas l'organisme). Je suis ouvert pour une démonstration d'un «cycle respiratoire» viable correspondant au cycle photosynthèse / acide citrique qui fonctionne avec le fluor.
@DevSolar: bien sûr. En tant que chimiste moderne, je commencerais par deviner que les parois cellulaires du téflon contiennent une solution HF. C'est-à-dire, bien que je ne puisse pas dire comment ni si les choses auraient évolué, je m'attendrais à ce qu'une biologie à base de fluor soit dans l'ensemble plus «dure» (dans un sens similaire à celui que notre biologie à base d'oxygène utilise une chimie plus dure que les systèmes biologiques de niche à base de soufre (de nos jours)), mais alors les organismes entiers seraient probablement plus «fluorés» et donc capables de faire face au fluor / HF. (En outre, d'une part, la différence d'électronégativité entre l'oxygène et le fluorure est inférieure à cela
entre le soufre et l'oxygène, mais d'un autre côté, il y a le passage du divalent au monovalent qui serait une différence majeure). En outre, l'agressivité peut être compensée dans une certaine mesure car nous pouvons être à la recherche de systèmes qui fonctionnent à des températures beaucoup plus froides: 20 ° C est le point d'ébullition pour HF, le point de fusion est inférieur à -80 ° C. Abaisser quelques dizaines de degrés Celsius peut ralentir les réactions à un rythme approprié. Qui sait? ** Résumé: La biologie basée sur HF / F₂ serait sûrement assez différente de "notre" biologie. Mais cela ne veut pas dire que cela ne peut pas fonctionner. **
@cbeleites: ... mais pas sur Terre, ou quoi que ce soit de similaire à distance. Donc ... en ce qui concerne la réponse à la question du PO, y a-t-il quelque chose qui "aurait besoin" d'être édité?
@DevSolar: non, désolé: j'aime votre réponse - pas besoin de modifier. Le point de mon commentaire est simplement que le spécialiste des fusées extraterrestres (ou l'ingénieur des moteurs à combustion) de la planète HF peut penser que le fluor est un agent oxydant totalement normal ... (et peut avoir des problèmes si ce peu de H₂O qu'ils ont pénètre dans le HF. dans leur système ...)
DrSheldon
2018-11-14 04:11:44 UTC
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Le rayon atomique du fluor est juste légèrement plus grand que celui du carbone. Lorsqu'un atome de fluor se lie à un atome de carbone qui fait partie d'un squelette de carbone, l'atome de fluor recouvre non seulement la liaison C-F, mais également les liaisons C-C adjacentes. Cela empêche les enzymes biologiques d'accéder à ces liaisons pour les briser, et c'est pourquoi les composés fluorés sont biologiquement inertes.

C'est la raison pour laquelle nous fluorons l'eau et le dentifrice; les bactéries n'ont pas d'enzymes capables de décomposer l'émail formé avec le fluor! C'est aussi pourquoi le téflon (unités répétitives de -CF $ _ 2 $ -) n'est pas des acides gras biodégradés mais saturés (unités répétées de -CH $ _ 2 $ -) sont facilement biodégradables.

Tous les éléments qui sont utilisés biologiquement ont des cycles écologiques où ils sont réutilisés à d'autres fins. Parce que les composés fluorés ne peuvent pas être décomposés, un tel cycle écologique s'arrêterait rapidement. Par conséquent, le fluor a un inconvénient évolutif par rapport aux autres éléments.

Je suis d'accord avec les autres réponses selon lesquelles le néon ne peut pas être un accepteur d'électrons car il ne se formera pas en composés. Je ne suis pas d'accord avec leur argument "oxygène d'abord"; l'évolution ne se soucie pas des mécanismes qui évoluent en premier. Si une voie métabolique du fluor avait été plus efficace que celle de l'oxygène, sa voie finirait par dépasser la voie évoluée plus tôt. De plus, de nombreux oligo-éléments (par exemple le sélénium) sont utilisés par la vie.

L'évolution se soucie quelque peu du mécanisme qui évolue en premier: elle a tendance à rechercher un optimum * local *, pas un optimum * global *. Si les avantages d'une voie de l'oxygène et d'une voie du fluor sont similaires, et que les deux sont un avantage majeur par rapport à tout ce qui les a précédés, l'évolution est susceptible de rester "bloquée" sur celle qui évolue en premier.
@Mark C'est vrai, mais alors vous obtenez quelque chose comme l'évolution de la photosynthèse, et tout est bouleversé à l'échelle de la planète. Il n'est pas inconcevable que la même chose puisse se produire avec quelque chose comme le fluor, * s'il était disponible *. L'argument de la disponibilité est beaucoup plus fort - quelle que soit l'utilité, la vie ne peut pas l'utiliser s'il n'y a pas de source pour cela. Les proportions d'éléments dans la vie sont assez proches des proportions d'éléments biologiquement disponibles (par exemple, y compris l'argument «sans enzymes») dans les sols et les océans de la Terre.
jk - Reinstate Monica
2018-11-13 23:22:33 UTC
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Neon ne fonctionne tout simplement pas comme accepteur d'électrons. C'est aussi inerte qu'il n'y a actuellement aucun composé néon connu.

Le fluor fonctionnerait en principe, mais il est rare par rapport à l'oxygène et sa forte réactivité en fait un produit très substance dangereuse sous forme élémentaire. Il semble donc très naturel que la vie choisisse l'oxygène et non le fluor.

Bien sûr, l'oxygène est * aussi * une substance horriblement dangereuse - c'est juste cette évolution qui a créé la vie qui est capable d'y faire face. Même dans ce cas, c'est un acte d'équilibrage et l'oxygène (et les composés oxygénés) sont responsables de plusieurs décès de cellules et de croissances cancéreuses: P Le grand événement d'oxygénation a tué presque toute la vie sur la surface de la Terre / les océans. Mais d'accord, faire face au fluor serait encore pire, et peut-être impossible (sous une pression et une température standard).
user40249
2018-11-14 18:06:42 UTC
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La raison en est que le fluor libre n'existe pas dans la nature et le néon est un gaz rare. Je ferais l'hypothèse, que l'oxygène est le seul accepteur d'électrons libre et abondant dans notre biosphère.

1) Le fluor réagit avec chaque élément à quelques exceptions près (certains gaz rares) et sera donc lié instantanément même s'il est constamment produit quelque part.

2) En raison de son électronégativité, l'énergie pour libérer le fluor des complexes est très élevée, donc l'efficacité des photosynthèses sera merdique.

3) En supposant qu'il y aurait une atmosphère de gaz fluor, la vie à base de carbone ne pourrait pas exister, car le fluor réagit avec le carbone déjà en dessous de la température ambiante.

Le commentaire ci-dessous indiquant que le fluor est rare est tout simplement faux. Ce n'est pas aussi courant que l'oxygène, mais ce n'est pas nécessaire. Par exemple. le carbone est également rare par rapport à l'oxygène. Le principal problème est le manque d'accessibilité en raison de la stabilité et de l'énergie élevée nécessaire pour le libérer, lié au fait qu'il détruirait toutes les protéines. Un accepteur d'électrons approprié doit être métastable et pouvoir coexister avec la vie à base de carbone.

L'oxygène libre * également * n'existait pas dans la nature lorsque la vie s'est formée. Il fallait la libérer par la photosynthèse. Le plus important est que le fluor est très rare même dans les composés, par rapport à quelque chose comme l'oxygène. Bien que son abondance soit suffisante s'il avait un rôle micro-nutritif, ce n'est certainement pas suffisant pour quelque chose comme l'accepteur final d'électrons. Et puis il y a les dizaines d'autres raisons pour lesquelles le fluor ne fonctionnerait pas, comme le fait qu'il (et ses composés) ne se dissolvent pas dans l'eau ...
Quoi qu'il en soit, le fluor libre n'a jamais existé et n'a donc jamais été une option. Ce ne sera jamais non plus une option, car même s'il était produit par des plantes, il réagirait instantanément avec autre chose. Cela signifie que ce ne sera jamais un accepteur d'électrons libre. Nulle part dans l'univers.
Cette demande de source est idiote.


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Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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