L’ESSENTIEL SUR LES STRUCTURES CRISTALLINES DANS LES ...

1 VOIE G N RALE Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - Septembre 20191 Retrouvez duscol surEnseignement scientifique2DE1 RETLEI nformer et accompagner les professionnels de l ducationCOMMUNENSEIGNEMENTVOIE G N RALEL ESSENTIEL SUR LES STRUCTURES CRISTALLINES DANS LES ORGANISMES BIOLOGIQUESD escriptionLes STRUCTURES CRISTALLINES , couramment pr sent es travers l exemple des min raux des roches, existent aussi chez de nombreux organismes vivants. La coquille d uf ou des mollusques, les os, les raphides sont autant d exemples qui montrent la diversit de ces STRUCTURES particuli res en lien avec leurs fonctions : protection, r sistance la pression, osmor Elles interviennent aussi dans certaines pathologies (calculs r naux) et sont en lien avec certaines questions vives de soci t (protection de l environnement, recherche biom ).

2 Mots-cl sStructures CRISTALLINES , cristaux, min ralisation, ossification, protection, coquille, raphides, glandes sels, calculs r naux, calcite, aragonite, oxalate de calcium, cristaux f rences au : Des difices ordonn s : les cristauxSavoirsDes STRUCTURES CRISTALLINES existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul r nal, etc.).IntroductionLes cristaux sont tr s pr sents dans notre quotidien : sel, neige, sont compos s d unit s structurales organis es en un r seau ordonn et p riodique partir d un motif l mentaire appel maille. On retrouve des STRUCTURES CRISTALLINES aussi au sein des organismes vivants : squelettes interne ou externe, excroissances min rales, permettant d assurer de nombreuses fonctions de support, de protection, de r sistance.

3 Aujourd hui, l tude des STRUCTURES CRISTALLINES des organismes vivants recouvre de nombreux champs d investigation : la m decine (calculs r naux, ossification, cristaux liquides), le d veloppement durable (les coraux), l alimentation (coquille d uf), les techniques d tude (cristallisation de virus ou de mol cule organique), la gemmologie (perles hu tri res).. Il est question ici d illustrer certains de ces champs par quelques exemples concrets en insistant sur les fonctions induites, les modalit s de mise en place et les applications ou cons quences possibles pour l G N RALE Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - Septembre 20192 Retrouvez duscol surContenus scientifiquesParticularit s des STRUCTURES CRISTALLINES d origine biologiquePour caract riser ces STRUCTURES , il est int ressant de :1.

4 Mettre en relation la structure particuli re et la fonction. Les exemples d taill s ci-dessous illustrent quelques fonctions inh rentes ces STRUCTURES . Il peut s agir d une fonction de soutien des tissus mous (exosquelette des chinodermes, squelette interne osseux), de protection (coquilles de mollusques, pines d oursin), de r gulation de l hom ostasie (tissus osseux, glandes sel), de d fense (poils urticants, raphides, perles hu tri res), de nutrition ( mail, dentine), de relation (cristaux liquides des scarab es, otolithes des poissons).2. souligner l aspect dynamique des processus de min ralisation et d min ralisation qui contribuent au d veloppement des organismes (ex : ossification, d veloppement de la coquille) mais qui peut aussi conduire des dysfonctionnements de l organisme (ex : d calcification osseuse) ou des cosyst mes (massif corallien).

5 3. souligner la possibilit de mise en place de STRUCTURES CRISTALLINES partir d l ments min raux (ex : calculs r naux) mais aussi de mol cules organiques dans un contexte pathologique (ex : structure cristalline de l h moglobine HbS) ou de recherche (ex : cristallographie de la mol cule d ADN).La singularit des biocristaux compar s aux cristaux abiotiques provient notamment du contr le biologique exerc par les tissus, cellules et mol cules organiques lors de la phase de nucl ation et de croissance de ces STRUCTURES quences du contr le biologique sur la nature des STRUCTURES cristallinesEn milieu abiotique, la cristallisation des min raux aboutit une structure organis e, p riodique, constitu e partir d une unit structurale, la maille.

6 Au sein des organismes vivants, la cristallisation est modifi e sous l action conjointe des tissus (quand ils existent), des cellules et des mol cules organiques (parfois organis es en matrice). Ainsi, le carbonate de calcium (CaCO3) peut cristalliser sous forme de calcite ou d aragonite en fonction du tissu : on parle de cristal polymorphe. Un m me polymorphe peut aussi pr senter une structure particuli re en fonction de sa position dans le tissus des tres vivants permettent un contr le de la cristallisation : exemple de la coquille des mollusques. dans le cas de l hu tre perli re (Pinctada sp.), la coquille est constitu e de deux couches, une couche externe de prismes de calcite et une couche interne de nacre (aragonite).

7 dans le cas de la nacre, la lib ration de polysaccharides notamment par le manteau favorise la fixation de calcium et la formation d agr gats l origine de la premi re tape de la min ralisation : la nucl ation. La croissance de l aragonite est ensuite contr l e par des mol cules organiques qui lui conf rent sa structure particuli re en plaques polygonales empil es et ses aspects iris s sur le c t interne de la coquille. Cot externe, c est une enveloppe particuli re, le p riostracum qui est impliqu e dans la nucl ation et la min ralisation de la calcite sous forme prismatique (Nouet 2014).VOIE G N RALE Enseignement - Minist re de l ducation nationale et de la Jeunesse - Septembre 20193 Retrouvez duscol surDes cellules sp cialis es participent la biocristallisation : exemple des spicules d ponges.

8 Les spicules d ponges sont des STRUCTURES calciques ou siliceuses pouvant jouer le r le de soutien, d adh rence et de protection. La min ralisation est permise par une tape de nucl ation puis de croissance sous le contr le de cellules particuli res (les scl rocytes) et de l activit de certaines enzymes (la silicat ine pour les spicules siliceux) en lien avec des prot ines comme le collag ne. Ce contr le biologique participe la r alisation de spicules pouvant pr senter une, deux, trois ou quatre pointes (Auzoux-Bordenave et al. 2013).Les mol cules organiques permettent une modification des propri t s du cristal : exemple des pines d oursins. Les pines d oursin sont compos es d environ 95 % de calcite cristallis e et de 5 % d un mortier alliant du CaCO3 amorphe et des mol cules organiques.

9 Cette composition hybride conf re l pine une r sistance accrue par rapport un cristal inorganique qui pr senterait des fragilit s inh rentes aux plans de clivage du min ral. R sistante, l pine d oursin peut aussi se casser et se morceler en cas de p n tration dans un tissu tranger (Perl-Treves 1998).Ainsi, il apparait deux formes principales de mise en place des STRUCTURES CRISTALLINES chez les tres vivants : l une sous contr le des mol cules organiques, de cellules ou de tissus sp cialis s conduisant des propri t s et des STRUCTURES particuli res, l autre se rapprochant d une min ralisation abiotique suite une concentration en solut , le biocristal obtenu se rapproche alors du cristal inorganique (coquille d uf).

10 Par ailleurs, les tres vivants peuvent aussi favoriser la formation de cristaux qui ne sont pas dans leur organisme mais dans leur environnement proche. C est le cas des stromatolithes, roches form es par la pr cipitation de CaCO3 suite l activit photosynth tique des cyanobact ries dans un biofilm encro exemples de STRUCTURES CRISTALLINES dans les organismesLe tissu osseux de l endosquelette. On distingue deux types d os : l os spongieux et l os compact. L os compact est compos d une unit structurale appel e ost on organis e autour d un canal de Havers contenant un vaisseau sanguin et un nerf. L ost on est compos d un empilement de lamelles compos es de matrice organique (appel e ost o de riche en collag ne) qui se trouve ensuite min ralis e par des cristaux de phosphate de calcium hydrat ou hydroxyapatite (Ca5(PO4)3(OH)).