Fig1.

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Cet article s'inscrit dans une série de vulgarisation, une ode à la vie permettant d'entrevoir la place de l'Homme dans l'Univers, de la création de ce dernier à l'évolution des espèces animales.

Parties précédentes :

• INTRODUCTION : De l’Origine à la Raison, théorie du Chaos et Luca, Big Bang et nucléosynthèse,
• PARTIE 1 : Monde prébiotique et synthèse de la première cellule vivante :
  1. De l’Origine à la Raison, théorie du Chaos et Luca : Abiogenèse théorique et naissance de la matière organique,
  2. De l’Origine à la Raison, RNA World et réplication de l'ARN,
  3. De l’Origine à la Raison, encapsulation : phospholipides et naissance de Luca.

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Il y a tout juste une semaine, j'expliquais les différentes théories quant à la naissance et à l'apparition des premières réplications de l'acide ribonucléique.

Un problème important s'oppose à l'apparition de la vie telle que nous la connaissons. Le RNA World est un Open World, un monde ouvert où l'ARN se retrouve vulnérable aux "parasites" et aux réactions qui lui sont néfastes, comme l'hydrolyse**.

La nécessité d'une protection se fait alors ressentir.

Phospholipides

Bases théoriques

Tout d'abord, il convient de revenir sur les bases théoriques des phospholipides.

Un phospholipide est composé de trois parties² :

1. Un groupement phosphate,
2. Un glycérol,
3. Deux chaînes carbonées longues : des acides gras.

Fig2. Représentation schématique d'un phospholipide. R représentant de longues chaînes d'acides gras variables.

Un phospholipide, de par sa formation, dispose d'un groupe hydrophobe et d'un hydrophile. Il est dit amphiphile¹.

Il est très rare de rencontrer un phospholipide sous cette forme dans une membrane, simplement parce qu'un phospholipide de ce genre peut se lier à de nombreuses autres molécules comme la choline (donnant la phosphatidylcholine), l'éthanolamine (phosphatidylethanolamine) ou l'inositol (phosphatidylinositol) par formation d'une liaison phosphoester au niveau du groupement phosphate.

Le phospholipide peut aussi varier via l'état de ses acides gras, qui peuvent soit être :

• Saturés (acides gras avec uniquement des liaisons simples),
• Monoinsaturés (comportant une double liaison),
• Polyinsaturés (plusieurs doubles liaisons).

Synthèse prébiotique

Comme pour les articles ci-avant publiés, la synthèse prébiotique des phospholipide fait objet de nombreuses théories reposant principalement sur du Proof-of-Concept.

Deux types de lipides nous intéressent. Les lipides incomplets (ILs) n'ont pas de groupement phosphate** et sont donc non polaires contrairement aux lipides complets (CLs)**.

Il y a vulgairement deux postulats de départ différents³ :

• Conditions prébiotiques simulées (environnement entre 65 et 100 °C),
• Conditions hydrothermales simulées (100-400 °C, pression à 1 bar).

Les deux environnements permettent la synthèse de lipides amphiphiles (CLs, i.e. phospholipides) via un précurseur Cyanamide³. C'est ce que l'on appelle le proto-métabolisme cyanosulfidique^4,5.

Il n'y a aujourd'hui aucune évidence expérimentale, mais il est possible que des lipides incomplets aient été phosphorylés en lipides complets³ par condensation ou réduction.

Modèle membranaire de la mosaïque fluide

C'est là que la magie de la Chimie intervient.

Membrane primordiale

Quand des phospholipides sont immergés dans une solution aqueuse, leur tête polaire hydrophile s'oriente pour être en contact avec la surface aqueuse quand leur partie hydrophobe s'éloigne.
C'est exactement le même phénomène quand vous essayez de faire s'approcher les polarités de deux aimants.

Fig3. Schéma représentant l'orientation des phospholipides à proximité d'une solution aqueuse. Vous remarquerez mes talents de graphiste Paint ;)

Maintenant, immergez les lipides dans la solution. Quand H₂O entoure un groupement de CLs, ils vont s'assembler de manière à n'avoir uniquement que les têtes polaires en contact avec l'eau en formant un lipid bi-layer. En gros, deux couches de lipides.

Fig4. Lipid Bi-Layer.

L'eau sur le côté est en contact avec la couche non-polaire. Naturellement, le lipide s'orientera donc ainsi :

Fig5. Organisation circulaire des lipides.

Voici donc la première membrane lipidique séparant un milieu extracellulaire A d'un milieu intracellulaire B**.

La formation étant complètement naturelle (sans l'intervention d'agent exogène), si - lors de la formation de la membrane - la solution aqueuse contenait des acides nucléiques - voire de l'ARN - vous obtenez la première proto-cellule donc les composants sont protégés du milieu extérieur.

Une telle membrane est dite semi-perméable². Définissons plusieurs variables de type boolean (soit vrai, soit faux) :

• x : molécule petite,
• y : molécule non-polaire.

Si x ET y sont vraies alors la molécule (petite et non-polaire comme les gaz type O₂ et CO₂), pourra passer rapidement d'un milieu A à B et inversement.
Si x OU y vraies, alors la molécule pourra difficilement passer.
Si x ET y fausses, passage impossible.

Le cas des ions est particulier. Fortement polaires, même petits, ils ne passeront pas la membrane primordiale.

Ce phénomène est appelé diffusion passive.

Protéines

Les membranes actuelles ne sont pas uniquement composées de lipides bien qu'ils en soient les principaux constituants. En réalité il y a en général 50% de protéines et 50% de lipides.

Fig6. Il existe différents types de protéines liées aux membranes cellulaires.
Les protéines intégrales (A) traversent complètement la membrane. Elles permetent de faire passer des molécules entre les milieux, ou la transmission de messages via des transmetteurs chimiques.
Des protéines périphériques (B ou C) reposent soit sur la membrane, soit sur une protéine intégrale, souvent pour interagir avec le milieu (extra ou intra) ou aider A.
Dans de rares cas, une protéine peut se retrouver à traverser partiellement la membrane (E) ou se retrouver complètement dans le milieu intermembranaire (D). Les protéines comme D sont très rares de par leur isolement et donc leurs fonctions limitées (interactions avec les milieux et transmissions de messages impossibles).

Cholestérol

Les membranes des cellules vivantes comportent du cholestérol entre les phospholipides.

En 1972, Singer et Nicolson⁶ publièrent leur théorie : les différents constituants d'une membrane ne sont pas fixes.
Les protéines - qu'elles soient intégrales ou périphériques - et les lipides peuvent se déplacer, bien souvent seuls où à l'aide d'aides exogènes^6,7.

Vu du dessus, la vision des groupements phosphate, du cholestérol et des protéines ressemble à une mosaïque, d'où le nom de "modèle de la mosaïque fluide".

La fluidité est influencée par différents facteurs. A des fins de vulgarisation, je ne m'intéresserai qu'à la température.

Comparons la fluidité à une foule. Les individus peuvent se déplacer.

Quand les températures s'abaissent, les molécules ont une tendance à s'agglomérer, à se resserrer. La fluidité diminue, diminuant la perméabilité au passage. Dans le cas de la foule, si celle-ci est dense, de plus en plus dense, vous aurez plus de mal à vous déplacer et vous y arriverez plus lentement.

Quand les températures augmentent, les molécules s'espacent, augmentant la fluidité, facilitant les mouvements des molécules et augmentant la perméabilité.

Pour palier à ce problème, le cholestérol joue un rôle de tampon^6,7 :

• Quand les températures baissent, il permet la conservation d'une certaine fluidité et augmentant l'espace entre deux phospholipides,
• Quand les températures augmentent, il diminue la fluidité simplement car les deux phospholipides veulent rester accrochés à lui, comme le feraient deux aimants aux polarités opposées.

Fig7. Illustration de la fluidité membranaire. La disposition des protéines d'Homme et de souris tend vers une homogénéité. Frye et Michael Edidin, 1970.

LUCA

Au gré des millions d'années de sélection pre-darwinienne (ou ultradarwinienne⁸) et darwinienne naquît il y a environ 3.7 millions d'années LUCA, the Last Universal Common Ancester.

Therefore I should infer from analogy that probably all the organic beings which have ever lived on this earth have descended from some one primordial form, into which life was first breathed. - Charles Darwin, 1859. The Origin of Species.

Bien que n'étant pas la première cellule vivante, LUCA donnera naissance aux archées, aux bactéries et aux eucaryotes.

Ainsi s'achève la première partie de ma série d'articles sur l'origine de la vie. Pour l'instant, j'envisage de faire une pause pour traduire ces 3 articles en anglais et traiter d'autres sujets.

Dans les prochaines semaines, la deuxième partie traitera de l'évolution, de LUCA aux êtres vivants d'aujourd'hui.

Références

1. Amphiphile - Wikiwand,
2. Cell, A Molecular Approach, 4e Edition.
3. M. Fiore, et al., Prebiotic Lipidic Amphiphiles and Condensing Agents on the Early Earth. 2016. DOI : 10.3390/life6020017
4. Patel, et al., Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. DOI : 10.1038/nchem.2202.
5. Sutherland, The origin of Life - Out of the blue. 2015. DOI : 10.1002/anie.201506585.
6. Singer, et al., The Fluid Mosaic Model of the Structure of Cell Membranes. 1972. DOI : 10.1126/science.175.4023.720
7. Nicolson, The Fluid - Mosaic Model of Membrane Structure: Still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40 years. 2014. DOI : 10.1016/j.bbamem.2013.10.019
8. John Hands, Cosmosapiens.

Table des illustrations

Fig1. Illustration personnelle. CC BY-SA-ND Clément POIRET,
Fig2. Illustration personnelle. CC BY-SA Clément POIRET,
Fig3. Illustration personnelle. CC BY-SA Clément POIRET,
Fig4. Illustration personnelle. CC BY-SA Clément POIRET,
Fig5. Illustration personnelle. CC BY-SA Clément POIRET,
Fig6. Illustration personnelle. CC BY-SA Clément POIRET,
Fig7. CC BY-SA Geoffrey M. Cooper.

Pour aller plus loin

V. Sojo, et al., The Origin of Life in Alkaline Hydrothermal Vents. 2016. DOI: 10.1089/ast.2015.1406
Phospholipide - Wikiwand
Last universal common ancestor - Wikiwand

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