Isotopie biologique
Introduction aux effets isotopiques et à leurs applications en biologie

Depuis leur découverte au début du XX siècle, l'étude des isotopes stables s'est considérablement étoffée.

Ce domaine, encore resté confidentiel jusqu'aux années 1990, est depuis devenu très important grâce à ses applications et ses retombées, notamment économiques. En effet, un grand nombre de techniques de répression des fraudes, de contrôle du dopage, de sélection des plantes à bon rendement, etc, reposent sur des mesures d'abondances isotopiques.

Richement documenté, cet ouvrage de référence offre une synthèse des connaissances actuelles sur l'utilisation des isotopes stables et des fractionnements isotopiques en biologie. Il présente les bases de la biochimie isotopique, en expliquant l'origine des effets isotopiques et détaille, à l'aide d'exemples et d'exercices, les principes d'application de ces effets sur le métabolisme, la physiologie des organismes, la biologie environnementale etc.

Isotopie biologique s'organise selon une progression logique. Les premiers chapitres présentent les connaissances de base définissant et formalisant, d'un point de vue mathématique, les effets isotopiques des réactions chimiques ou des processus physiques ayant lieu en biologie. Le principe de mesure des abondances naturelles en isotopes stables est ensuite synthétisé. Enfin, toutes ces notions sont appliquées à différentes échelles, faisant chacune l'objet d'un chapitre : enzymes, physiologie (biologie des organismes), métabolisme, environnement, écosystèmes et répression des fraudes.

Cet ouvrage s'adresse à tous les chercheurs et étudiants en physiologie végétale, en biochimie enzymatique, en écologie et en environnement, domaines dans lesquels les isotopes stables sont devenus incontournables.

Table des mati?s

Liste des symboles utilis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. III

Avant-propos V

Chapitre 1

Notions d'isotopes stables et d'effet isotopique
1.
Lesisotopesstables:d?nitions........................................ .. 1

1.1.
Notiond'isotope............................................... .. 1

1.2.
Stabilit?otopique. ............................................ .. 1

1.3.
Isotopesetmassemolaire........................................ .. 2

1.4.
Isotopologuesetisotopom?s .................................... .. 2

2.
Abondancesisotopiques .............................................. .. 3

3.
Effetisotopique,fractionnementetdiscrimination.......................... .. 4

3.1.
G?ralit?aspect?rg?que.................................... .. 4

3.2.
Cons?enceschimiques globales................................. .. 6

3.3.
Leseffetsisotopiques,d?nitions.................................. .. 6

3.4.
Effetsnormauxetinverse........................................ .. 9

3.5.
Conception thermodynamique de l'effet isotopique 10

3.6.
Discriminationisotopique........................................ .. 10

3.7.
Effet isotopique intrins?e, facteur de partition Il
3.8.
Effet isotopique enzymatique VIK. 12

4.
Exercicesd'application............................................... .. 13

4.1.
R?tiondeGrignard ........................................... .. 13

4.2.
Effet isotopique d'une r?tion irr?rsible 14

Chapitre 2

Formalisation des effets isotopiques
: principes
1.
Syst?de Rayleigh................................................. .. 17

2.
Effetsisotopiquesdesph?m?sdistributifs............................. .. 19

2.1.
Distribution isotopique de Maxwell-Boltzmann (rappel). . . . . . . . . . . . . . . . .. 19

2.2.
Diffusion d'un gaz parfait dans le vide sans interactions mol?laires (effusion),

ou « loide Graham». ........................................... .. 21

2.3.
Diffusion d'un gaz parfait, cas g?ral 23

2.4.
Diffusion d'une mol?le organique en phase liquide (eau) 25

3.
Effets isotopiques li?au changement d'?t liquide-vapeur 26

3.1.
Loi de Henry et probl?s pos? 26

3.2.
Principe du calcul de PSB1 / PS: 1 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 27

4.
Effetsisotopiquescin?quesdesr?tionschimiques ....................... .. 30

4.1.
Lemme: la th?ie des interm?aires r?tionnels (transition-state theory) . .. 30

4.2.
Principe de calcul des effets isotopiques cin?ques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31

4.3.
Comment appliquer cette relation? 33

4.4.
RapportavecJ'?ation d'Arrh?us............................... .. 33

4.5.
Cas particulier des enzymes 34

4.6.
Tunnelling , 37

5.
Effetisotopiqueli?usolvant.......................................... .. 39

5.1.
Solvants isotopiques et r?tions chimiques: g?ralit? . . . . . . . . . . . . . . . .. 40

5.2.
Expression de l'effet li?u solvant. 41

5.3.
Diagrammes de Gross-Butler 43

5.4.
Effet isotopique acide-base li?u solvant. 44

5.5.
Effet du solvant sur la solubilit?es ions 45

5.6.
Effet du solvant sur la solubilit?es gaz 46

6.
Exercices d'application 47

6.1.
Pressiondevapeursaturantede l'eau............................... .. 47

6.2.
?hangeisotopiquedel'ioncyanure ............................... .. 48

6.3.
Pr?pitation des carbonates dans les coquilles de Bivalves 49

6.4.
R?tion de transfert et sym?ie de l'?t de transition 49

6.5.
?ude de d?rboxylations " 51

Chapitre 3

Mesure pratique des abondances isotopiques
1.
Laspectrom?iedemasseisotopique.................................... .. 53

1.1.
Un peu d'histoire 53

1.2.
Principeg?ralde laspectrom?iedemasse........................ .. 55

1.3.
Application aux isotopes stables et fonctionnement g?ral du spectrom?e
demasseisotopique ............................................ .. 57

1.4.
Modesdecalculdescompositionsisotopiques........................ .. 57

1.5.
Correction usuelle de mesure pour l'hydrog? 60

2.
La spectrom?ie infrarouge 60

2.1.
Propri?s optiques des mol?les isotopiquement substitu?: principe. . . .. 61

2.2.
Principe de fonctionnement du spectrom?e infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63

3.
Applications et couplages 64

3.1.
Composition isotopique de mati?s organiques versus gaz.............. .. 64

3.2.
Utilisation des emichissements isotopiques: test de pr?nce stomacale

d'Helicobacter pylori 66

Chapitre 4

Effets isotopiques et m?nismes r?tionnels des enzymes
1.
Rappels des principes: qu'apportent les effets isotopiques? 67

1.1.
G?ralit?.................................................... 67

1.2.
?apelentelimitante,partitionnement .............................. .. 68

1.3.
Exemple d'application 71

1.4.
G??iedel'?tdetransition................................... .. 73

1.5.
Exemple d'application 74
1
2.
Application de ces principes ?artir de quelques exemples 76

2.1.
Ordre des ?pes d'un m?nisme: cas de l'enzyme malique 76

2.2.
?at de transition et comparaison avec la r?tion spontan?
casdelachorismatemutase ...................................... .. 79

2.3.
?erg?que du transfert de proton: cas de la triose-phosphate isom?se .... 81

2.4.
Variation de l'?t de transition et conception d'inhibiteurs:
casdelapurinenucl?idephosphorylase........................... .. 84

3.
Exercice d'application 87

Chapitre 5

Effets isotopiques et physiologie v?tale
l.
Photosynth? en C3 et fractionnement isotopique 12C;13C 91

1.1.
Principe g?ral de la photosynth? en C3 91

1.2.
Mod?sation simplifi?du fractionnement isotopique photosynth?que . . . .. 92

1.3.
Mod?sation compl? 93

1.4.
Fractionnement photosynth?que : aspects exp?mentaux. . . . . . . . . . . . . . .. 98

1.5.
Utilisation classique du mod? simplifi?e fractionnement 99

1.6.
Utilisation classique du mod? complet de fractionnement photosynth?que . 100

1.7.
Impact isotopique de la respiration et de la photorespiration 104

1.8.
R?m?es effets isotopiques mis en jeu au cours de la photosynth? 106

2.
Fractionnement photosynth?que 12C;13C des plantes en C4 et CAM 106

2.1.
Un peu d'histoire 107

2.2.
Le r?majeur de la PEPC 108

2.3.
M?bolisme et mod? de fractionnement 109

3.
Fractionnement photosynth?que 12C;13C des organismes aquatiques 113

4.
Fractionnements 12C;13C post-photosynth?ques 114

5.
Fractionnement 160; 180 et HID et gestion de l'eau par les plantes terrestres 116

5.1.
Principe des ?anges d'eau isotopique dans les plantes 116

5.2.
Calculs usuels de l'enrichissement de l'eau foliaire 117

5.3.
Effet P?et 118

5.4.
Rapports avec les ?anges de CO2 121

6.
Fractionnement 14N;ISN et nutrition azot?des plantes 123

6.1.
Absorption et assimilation des nitrates du sol. 123

6.2.
Fixation de l'azote atmospherique (N2) 127

7.
Exercice d'application 130

Chapitre 6

Effets isotopiques et m?bolisme
1.
Rappel des principes isotopiques applicables aux r?aux m?boliques 133

1.1.
Compl?de des r?tions 134

1.2.
Processus ?'?ilibre 134

1.3.
R?tions concurrentes 135

1.4.
R?tions successives .136

2.
Distributions isotopiques et grandes classes de m?bolites 137

3.
Distribution isotopique 12C;13C et m?bolisme du carbone 140

3.1.
M?bolisme primaire: de la fixation de CO2au glucose 140

3.2.
M?bolisme carbon?rimaire: glycolyse, respiration et cycle des pentoses .. 146

3.3.
Biosynth? des acides amin? 151

3.4.
Biosynth? des lipides, isopr??s et pigments 156

3.5.
Modes trophiques et composition 12C/l3C 160

4.
Distribution isotopique 14N/15N et m?bolisme de l'azote 162

4.1.
Au-del?es acides amin? 165

5.
M?bolisme et isotopes de l'hydrog? et de l'oxyg? 168

5.1.
Principes: r?fondamental de l'eau 168

5.2.
Origine des atomes d'hydrog? et distribution isotopique H/D
dans les m?bolites 169

5.3.
Distribution isotopique 180/160 dans les m?bolites 175

6.
Exercice d'application 179

Chapitre 7

Effets isotopiques et biologie environnementale
1.
Fractionnement isotopique et s?ction des vari?s agricoles 181

2.
?hanges isotopiques biosph?-atmosph? 183

2.1.
Reconstruction du climat et composition isotopique des cernes des arbres 183

2.2.
Biosph? et CO2atmosph?que 189

3.
Pollutions et suivi des polluants dans l'environnement 192

3.1.
Pollution atmosph?que 192

3.2.
Pollutionsdel'eau 193

3.3.
Voies de d?adation des polluants 195

3.4.
Bioaccumulation 198

4.
Fractionnements isotopiques et r?aux trophiques 200

5.
Exercice d'application 205

Chapitre 8

Fractionnements isotopiques et r?ession des fraudes
1.
Fractionnements isotopiques et contr?des produits alimentaires 208

1.1.
Origine artificielle vs. naturelle des produits 208

1.2.
Origine des produits 210

2.
Compositions isotopiques et contr?des dopages 212

3.
Compositions isotopiques naturelles et recherche criminologique ou migratoire 215

4.
Exercice d'application 217

Conclusion 219

Cr?ts des figures 221

R?rences 225

Index 235