Astrophysique et astrochimie Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques 2013-2014 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers (suite)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La quête des acides aminés Naturels : participant à la composition des protéines des êtres vivants sur la Terre (un vingtaine) Acide -H-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur d’un H Acide -méthyl-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur d’un groupement méthyle

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La quête des acides aminés Naturels : participant à la composition des protéines des êtres vivants sur la Terre (un vingtaine) Acide -H-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur d’un H Acide -méthyl-aminés : carbone en alpha de la fonction acide porteur d’un groupement méthyle

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La quête des acides aminés Milieu interstellaire: - détection annoncée en 2003 (Kuan et al.) - absence de confirmation, et discussion critique des résultats (Snyder et al. 2005) (attribution erronée des signatures spectrales, remise en cause de l'approche adoptée...)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La quête des acides aminés Comète: - mission Stardust: - NASA - lancement le 7 février 1999 de Cap Canaveral - rendez-vous avec sa cible en janvier 2004 - retour de l'échantillon en 2006 - cible: comète Wild 2 (supposée ne pas être passée de nombreuses fois à proximité du Soleil → sublimation du noyau négligeable → composition vraisemblablement représentative de l'époque du système solaire jeune)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La quête des acides aminés Pistes de formation: - amino-acétonitrile : précurseur de la glycine (hydrolyse: conversion du nitrile en acide carboxylique) - synthèse de type « Strecker » (chimie apparentée à une chimie en solution, mais dans des matrices solides) - synthèse via des composés organiques macromoléculaires (?) dans les comètes... - ...

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La quête des acides aminés Pistes de formation: - amino-acétonitrile : précurseur de la glycine (hydrolyse: conversion du nitrile en acide carboxylique) - synthèse de type « Strecker » (chimie apparentée à une chimie en solution, mais dans des matrices solides) - synthèse via des composés organiques macromoléculaires (?) dans les comètes... - ... Certitude : des mécanismes de formation d'acides aminés sont actifs en dehors de l'écosystème terrestre (cfr Stardust)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité Sucres naturels Forme D Acides aminés naturels Forme L Impact énorme sur la biochimie

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l'homochiralité: composés chiraux naturels Activité optique: propriété des composés chiraux de faire tourner le plan de polarisation de la lumière (symboles (+) et (-), ou d et l) Cas des sucres: D et L Le carbohydrate chiral le plus simple = glycéraldehyde forme naturelle (+) , caractérisée par une configuration R Projections de Fisher des carbohydrates: carbonyle au-dessus dernier C chiral R  notation D dernier C chiral S  notation L Cas des acides aminés : analogie entre glycéraldehyde et serine!! L’activité optique est une propriété optique “moléculaire” différente de la configuration d’un carbone chiral!! Parmi 19 acides aminés naturels chiraux (L), 9 font tourner le plan de polarisation de la lumière vers la droite!

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité Rupture de la symétrie: - interactions énantiosélectives des réactifs, en vue de favoriser un énantiomère plutôt qu’un autre - surface asymétrique - groupements asymétriques dans un partenaire réactionnel - destruction asymétrique de molécules, selon leur stéréochimie (rôle éventuel de l’environnement astrophysique - photolyse asymétrique - autres (?)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité Photolyse asymétrique: Présence de molécules chirales préalablement synthétisées Source de rayonnement UV significativement polarisé Ce rayonnement polarisé doit être le dernier rayonnement rencontré par la population de molécules chirales considérée

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité Photolyse asymétrique: conséquences du modèle selon ce modèle, la cause de l’homochiralité dépend de conditions “locales” du nuage proto-solaire ces conditions sont valables à une échelle astronomique supérieure à notre échelle planétaire  applicables aux autres astres de notre système solaire si ce mécanisme est efficace, d’autres régions au voisinage d’autres étoiles pourraient donner lieu à une homochiralité inversée par rapport à la nôtre, selon l’historique des événements astrophysiques locaux

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité La production d'un léger excès énantiomérique est une étape nécessaire vers l'homochiralité, mais ne suffit pas à l'expliquer. L'amplification de cet excès constitue une autre étape menant à l'homochiralité. Amplification de l'asymétrie?: - auto-catalyse de processus chimiques (à l'étude en laboratoire, résultats intéressants...) - intervention d’organismes vivants favorisant la métabolisation d’espèces chimiques d’une stéréochimie particulière (comment cela a-t-il démarré?...)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité L'apparition de l'excès énantiomérique et son amplification ultérieure constituent les deux étapes décisives menant à l'homochiralité. Par ailleurs, des processus contribuent à réduire (ou même faire disparaître) cette asymétrie. Racémisation: 2R → R + S 2S → R + S - action de la chaleur (peu vraisemblable en astrophysique, exceptions possibles...) - photoracémisation (photons UV ou X) - radioracémisation : action de particules de haute énergie

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité Exemple de racémisation: tautomérisation Acides α-H-aminés!!

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Le problème de l’homochiralité 1. Le problème de l'homochiralité est loin d'être résolu, mais il apparaît que des environnements astrophysiques puissent y jouer un rôle décisif (piste de travail!) 2. A priori, on dispose d'une source d'excès énantiomérique, qui demande encore à être amplifié (problème en deux étapes!) 3. Si des processus de synthèse asymétrique ont joué un rôle sur la Terre prébiotique, il peuvent avoir été amorcés par de faibles excès énantiomériques d'origine interstellaire 4. Ce problème constitue un bel exemple de question scientifique complexe qui justifie une approche pluridisciplinaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire Contraction forte du nuage moleculaire --> densité dépasse celle des nuages moléculaires Gradient de conditions physiques --> chimie fonction de la position dans le nuage proro-stellaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire (a) nuage moléculaire (b) objet proto-stellaire (Classe 0) (c) objet proto-stellaire (Classe 1 ou 2) (d) système planétaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers La filiation moléculaire

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers Pour conclure... 1. Ce chapitre est basé sur de nombreux faits observationnels, sur des prédictions théoriques, et aussi sur des idées qui servent de pistes de travail. 2. Les sujets abordés montrent que beaucoup de questions restent sans réponse, et font l'objet de nombreuses études. 3. Les sujets développés dans ce contexte démontrent que certaines questions scientifiques nécessitent réellement une collaboration étroite entre disciplines différentes (physique, chimie, astrophysique, géophysique...), en développant des approches pluridisciplinaires.