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Publié par Jean-Pierre FORESTIER

L’essentiel

Des nouveaux polymères organiques ferroélectriques ont été proposés par une prestigieuse équipe.

L’un d’eux, nous rapproche des protéines puisqu’il est flexible et constitué d’imidazoles substitués, or le noyau imidazole est la « partie active » d’un acide aminé protéinogène : l’histidine.

Cette activité est connue dans le site actif de nombreuses enzymes.   

L’exotisme de ses propriétés des polymères d’imidazoles substituées anticipe-t-elle celui des protéines de mémoire ?  

Polymères organiques

Dans sa rubrique Actualité Physico-chimie de Pour la Science,

 Marie-Neige Cordonnier signale qu’« une nouvelle famille de matériaux ferroélectriques a été mise au point par Alok Tayi et Alexander Shveyd, de l’Université Northwestern, aux États-Unis, et leurs collègues » dont Sir James Fraser Stoddart. »

Ce n'était pas des cristaux minéraux mais des matériaux issus de la chimie organique ...

... dont les propriétés ferroélectriques peuvent être contrôlées à température ambiante et qui pourrait « offrir une alternative plus performante aux matériaux magnétiques utilisés dans les disques durs », en utilisant moins d’énergie que les composés ferromagnétiques classiques.

 

    Sir James Fraser Stoddart et Marie-Neige Cordonnier devaient ignorer que les Nylon et d’autres polymères ferroélectriques, tout aussi flexibles, étaient déjà connus (voir Notre mémoire bio-ferroélectrique), mais ainsi vont les connaissances scientifiques, elles n’apparaissent importantes que quand elles sont énoncées par quelqu’un d’important, par exemple quelqu'un qui a reçu un Prix Nobel !

De la même manière, les protéines mnésiques connurent une longue éclipse pendant laquelle un gourou auréolé de sa gloire passée « concentra ses efforts sur la compréhension du cerveau » et du haut de son Prix Nobel affirma que la mémoire ne pouvait n'être que dans "des molécules équivalentes à l’ADN."

 

 

 

Imidazoles substitués

Dans un article suivant une équipe de la même université, comprenant également Sir James Fraser Stoddart, utilisa cette fois, comme matériaux ferroélectriques, des imidazoles substitués ...

… qui ont la particularité d’être flexibles

Il serait pertinent de faire remarquer à Sir James Fraser Stoddart, prix Nobel de chimie en 2016, que :

- les protéines sont également des matériaux organiques ferroélectriques à température "ordinaire".

- les protéines sont non seulement flexibles, mais plastiques, et même très plastiques pour certaines d’entre-elles (« intrinsèquement désordonnées » ou « intrinsèquement non structurées »)

- des protéines sont des supports de la mémoire du cerveau.

- et que …

Noyau imidazole

…. Coïncidence ? L’histidine comporte également un noyau imidazole

Or l’histidine fait partie des acides aminés naturels constitutifs des

des chaînes protéiques…

… et le motif imidazole de la chaîne latérale de l'histidine est très impliqué dans de nombreuses fonctions des protéines comme

- les sites catalytiques d’enzymes, par exemple les sérines protéases (trypsine, … ), figure ci-contre

- « stabilisateur » de l’ion ferrique qui est au centre de l’hémoglobine ou de la Succinate dehygrogenase,

- dans les ATPases, enzymes clés de la fourniture d'énergie des cellules.

 

 

 

 

 

Le noyau imidazole est en résonance entre deux formes, propriété qui lui confère une "grande activité" physico-chimique

 

Le pK de l’histidine est de 6,0, c'est-à-dire que son noyau peut capturer un proton et acquérir une charge positive à un pH inférieur à 6,0.

Comme de parler de pH dans un micro-environnement interne comme celui d'une protéine n’a pas de sens, il convient de parler de régions moléculaires riches en donneurs de protons.  

La valeur de 6,0 étant proche de la neutralité (pH 7,0), il suffit d’une petite modification régionale pour faire passer le noyau imidazole de la neutralité électrique à une charge positive

- donc changer la répartition des charges dans la protéine,

- donc changer le barycentre des charges positives

- donc changer la polarisation de la protéine, c'est-à-dire son vecteur de champ électrique.

- donc, dans le cas des protéines de mémoire, changer la modulation du signal neuronal.

Cette modification régionale peut elle-même être la conséquence d’un changement de configuration de la protéine de mémoire, qui (rappel) est particulièrement plastique (intrinsèquement désordonnées ou non structurées) donc à la conformation facilement modifiable.

Ce changement de configuration pouvant lui-même être provoqué :

- par un champ électrique extérieur (potentiel d’action neuronal), comme dans l'enregistrement de notre mémoire.

- par un mouvement ionique dans l’astrocyte, par exemple d’ions calcium 

- par tout autre processus métabolique orchestré par l’astrocyte.

 

Réciproquement, les travaux des équipes de Sir James Fraser Stoddart laissent penser que l’histidine des protéines de mémoire pourrait jouer un rôle très important dans les fonctions cognitives.

Exotisme

Nous n’avons hélas toujours pas d’étude portant sur la ferroélectricité des protéines de mémoire, mais celles effectuées sur les polymères d’imidazoles substituées montrent/confirment qu’il faut s’attendre à un certain exotisme.

Nous avons vu un exemple pour l’élastine, courbe noire de la figure de droite, que l’enregistrement de l’amplitude de changement du vecteur de polarisation (longueur du vecteur champ électrique) donne une « courbe papillon »

La même courbe enregistrée pour le polymère d’imidazoles substitués de Sir James Fraser Stoddart, donne un bien exotique papillon, courbe rouge sur la gauche.

Le même exotisme s’observe pour la courbe d’hystérésis, en bleu, comparée à la courbe noire de l’élastine.

Une courbe classique d’hystérésis est rappelée à droite (pour l'élastine, les auteurs n'ont mesuré que la partie "descendante" :  

Il est également remarquable que le domaine de réponse du polymère d’imidazoles substitués soit approximativement le même que pour l’élastine : entre – 100/200 et + 100/200 volts.

 

L'ordre de grandeur du potentiel d’action des neurones est mille fois plus faible, mais une courbe d’hystérésis peut n’être que partielle, voir courbe centrale de la courbe ci-dessous

 

 

 

Toutes ces propriétés exotiques anticipent-elles celles des protéines de mémoire ?  

 

Retour vers

Plusieurs matériaux biologiques ont été reconnus comme possédant des propriétés bio-ferroélectriques.

Le bois (d’un piano, d'un violon) et l’os (d’un tibia) sont des matériaux ferroélectriques.

Les os du crane sont les microphones pour l’ouïe, les os de la mâchoire, des haut-parleurs pour des chanteurs lyriques.

Des polymères synthétiques comme les nylons, sont d’excellents matériaux ferroélectriques

De très exotiques nanotubes peptidiques seraient-ils une nouvelle étape vers une ...

...mémoire bio inspirée ?

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