Chiralité
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En chimie
La chiralité, du grec « χειρ » (la main), est la propriété d'un composé chimique d'exister sous deux formes, dont les structures moléculaires sont les images miroir l'une de l'autre (comme la main gauche pour la droite). Une molécule est dite chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. Si elle est chirale, elle possède deux formes énantiomères: une lévogyre (« qui tourne à gauche », en latin laevus: gauche) et une dextrogyre (« qui tourne à droite », en latin: dextro: droite).
La chiralité peut être comparée à un simple problème de chaussures. Tous les enfants ont déjà été confrontés à un problème de chiralité en mettant le pied droit dans la chaussure gauche et inversement. Une chaussure est un objet chiral car elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. Tout comme les mains.
La distribution d'éléments différents dans l'espace, par exemple autour d'un point, peut conduire à des situations non identiques, donc des objets différents. Ainsi les dés à jouer sont des objets chiraux : la règle de construction veut que la somme des faces opposées soit égale à sept. Posons le six sur la face supérieure et par conséquent le un sur la face inférieure, puis le cinq devant donc le deux derrière. Il reste deux façons non équivalentes de terminer : le quatre à gauche et le trois à droite, ou inversement. On obtient deux énantiomères images l'un de l'autre dans le miroir.
De même, les acides aminés (AA) sont des molécules chirales : un AA et son image dans un miroir ne sont pas superposables car la molécule contient un atome de carbone asymétrique (lié à 4 atomes ou groupements d'atomes différents).
Le carbone tétravalent peut accepter 4 groupements prosthétiques différents sur chacune de ses 4 liaisons :
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Voici l'exemple avec l'acide aminé Alanine (deux stéréo-isomères nommés D et L) :
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Un objet chiral, deux énantiomères
Un objet chiral ne possède que deux formes différentes possibles appelées énantiomères (du grec enantios « opposé »). Ainsi une chaussure est un objet chiral avec deux énantiomères : la chaussure droite et la chaussure gauche.
C'est exactement pareil pour les molécules : 2 énantiomères ont les mêmes propriétés physiques symétriques (solubilité, température d'ébullition, etc.) ; ils peuvent cependant être différenciés par une propriété optique, la déviation de la lumière polarisée : l'un des composés la dévie à droite et l'autre à gauche.
Les deux énantiomères de l'acide lactique : l'acide lévo-lactique et l'acide dextro-lactique.
Un mot sur la nomenclature utilisée pour désigner la configuration (l'arrangement dans l'espace des substituants du carbone) : les chimistes disent R/S « Rectus, droit » ou « Sinister, gauche » (nomenclature officielle), mais les biologistes continuent d'utiliser l'ancien système D/L. Le premier système est fondé un ordre de priorité convenu des quatre différents substituants du carbone asymétrique ; le système D/L utilise, lui, des corrélations chimiques compliquées à partir du glycéraldéhyde.
Il n'y a aucune relation entre les deux systèmes basés sur des critères totalement différents. De plus, dans les deux cas, il n'y a aucune relation entre la configuration et les propriétés optiques (dextrogyre ou levogyre).
Énantiomère droit ou gauche ?
Au XIXe siècle, on a montré que certains composés en solution dévient le plan de polarisation de la lumière polarisée. Il y en a qui le dévient à gauche (angle -α) et d'autres à droite (angle +α). Et c'est le cas pour nos énantiomères : il y en a un qui dévie la lumière à droite, il est dit dextrogyre (d), et l'autre qui la dévie à gauche, il est lévogyre (l). Ceci permet de les différencier. La nomenclature D/L fait référence elle à la configuration absolue, c'est-à-dire à l'arrangement spatial du composé par référence à l'alanine, un des acides aminés naturels.
Où est le problème pour la vie ?
Aujourd'hui, les acides aminés « naturels » qui constituent les êtres vivants sont tous L alors que lorsqu'on les synthétise dans des conditions symétriques (expérience de Miller par exemple) on obtient un mélange 50/50 des formes L et D : c'est un mélange racémique. C'est l'inverse pour les sucres : tous les glucides naturels sont de la série D. De manière générale, dans le vivant, un seul énantiomère a été sélectionné à chaque fois que le problème s'est posé.
La vitamine C : seule la forme L est assimilée par l'organisme.
Pourquoi et comment la vie a-t-elle systématiquement privilégié une des deux formes ? Comment c'est un mystère. Mais on peut facilement comprendre pourquoi : c'est une économie de moyens. La vie de tous les jours nous en offre des exemples réussis et d'autres ratés. Ainsi, sauf cas très spéciaux, c'est une grosse économie de moyens que, de part le monde, toutes les vis et tous les écrous soient de pas droit (donc des objets chiraux); imaginons la pagaille si les vis et les écrous étaient vendus en mélange racémique (50/50)...
Pour la même raison d'économie les deux moteurs d'un avion bimoteur tournent dans le même sens. Par contre la marine militaire s'offre le luxe d'équiper ses bâtiments de paires d'hélices tournant en sens inverse.
Dans les deux pays les plus peuplés au monde, l'Inde et la Chine, on ne conduit pas du même côté : à gauche en Inde et à droite en Chine. Pour un constructeur étranger, il faudra donc prévoir deux chaînes de montage pour exporter un même modèle d'automobile. Ce qui constitue un gaspillage énorme que la nature a su éviter.
Une main droite dans un gant gauche !
Deux énantiomères possèdent des propriétés identiques dans un environnement symétrique. Ainsi un gant de cuisine plat et symétrique conviendra de la même façon à une main droite ou gauche. Par contre un gant droit ne convient pas à une main gauche : un récepteur lui-même chiral discrimine donc deux énantiomères. Or, nous sommes construits avec des briques élémentaires chirales (acides aminés, sucres, etc.) et, pour ce qui est du vivant, les conséquences de cette situation sont multiples :
-deux énantiomères peuvent avoir simplement des propriétés différentes : l'odeur caractéristique du fenouil est due à l'un des énantiomères de la carvone, tandis que l'arôme de menthe verte est dû à l'autre.
-un énantiomère peut être doué d'une propriété biologique intéressante, insecticide par exemple alors que l'autre demeure totalement inactif. Par exemple la deltaméthrine.
-un énantiomère peut être un médicament efficace et l'autre un poison hautement toxique. Les ravages causés par la thalidomide, commercialisée à l'époque sous forme racémique, sont attribués à l'un des deux énantiomères.
-enfin, le racémique peut être toxique alors que les énantiomères pris séparément ne le sont pas.
Tout dépend de la molécule et de son récepteur biologique.
En physique des particules
(traduit de l'anglais)Les lois fondamentales de la physique doivent être chirales, sauf l'interaction faible qui n'est pas invariante dans la symétrie miroir sauf à remplacer les particules par leurs antiparticules ; la désintégration du Kaon semble ne pas vérifier cette symétrie.
La chiralité est importante en physique des particules du fait que l'univers est assymétrique pour les spins.
Or jusqu'à présent, les neutrinos détectés ont une hélicité Left (valeur de spin projeté sur la direction du mouvement = -1/2 < 0 ) et les antineutrinos une hélicité Right (valeur de spin projeté sur la direction du mouvement = +1/2 > 0) ; on peut comprendre cette rupture de la parité (invariance pour l'inversion du système de coordonnées spatiales) par le fait que le neutrino a une masse quasiment nulle (donc un comportement cinématique proche de celui de la lumière dans les laboratoires) et n'interagit que par la force faible.
En physique
Un champ vectoriel a la symétrie miroir: Exemple : le champ électrique produit par un « électron miroir » est l'image dans le miroir du champ produit par l'électron En revanche le champ magnétique produit par le mouvement de l'« électron miroir » est inversé : le champ magnétique Bm derrière le miroir s'obtient en prenant l'antisymétrique du champ B devant le miroir Cela provient de la définition du champ magnétique par un produit vectoriel le produit vectoriel n'est pas un vecteur, mais un tenseur antisymétrique qui comporte que trois composantes non nulles dans un espace à trois dimensions et peut donc être représenté par trois composantes: un pseudo-vecteur.