Structure de la molécule d’eau

La molécule d’eau est formée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène : H₂O. Elle se présente sous une forme de triangle isocèle dont le sommet est constitué par l’atome d’oxygène. Elle est dite polarisée, ou polaire, car les quatre électrons de la couche périphérique de l’oxygène qui n’entrent pas dans les liaisons avec les atomes d’hydrogène constituent un pôle négatif. On dit que l’oxygène est électronégatif. Par contre chaque électron des atomes d’hydrogène est engagé dans la liaison avec l’atome d’oxygène et constitue un pôle positif, l’hydrogène est électropositif (figure 1.3). Une liaison hydrogène va donc pouvoir s’établir entre les hydrogènes de l’eau et un certain nombre de molécules biologiques polaires qui possèdent en général une fonction ou alcool (–OH) ou acide (–COOH) ou aldéhyde (–CHO) ou cétone (C = O) ou encore amine (–NH₂) comme les protéines ou les acides nucléiques. Par conséquent ces molécules polaires sont solubles dans l’eau. Les molécules apolaires ne le sont pas ou peu.

Répartition de l’eau

L’eau est quantitativement le composant le plus abondant de la matière vivante. Le corps humain est par exemple constitué d’environ 63 % d’eau, celui des méduses de 98 %. Les organes et tissus sont plus ou moins riches en eau : les muscles en contiennent 83 %, le cœur et le sang 79 % (900 g.L^–1 de plasma), le cerveau 76 %, le tissu adipeux 30 % et le tissu osseux 22,5 %. Le corps d’une femme a donc un pourcentage d’eau moins élevé que celui d’un homme puisqu’il est moins riche en tissu musculaire et plus riche en tissu adipeux. Selon le stade de développement et l’âge la quantité d’eau varie également : un embryon de quelques jours est constitué de 97 % d’eau, un fœtus de trois mois de 94 % et un nouveau-né de 70 à 75 %. Chez la personne âgée elle diminue considérablement passant à 45 % environ (figure 1.1). Chez un homme adulte de 70 kg, l’eau représente 40 L. Cette eau se répartit entre les différents compartiments liquidiens de l’organisme qui sont les liquides intracellulaires qui représentent les 2/3 (25 L) et les liquides extracellulaires qui représentent le tiers restant (15 L). Ces derniers sont appelés milieu intérieur au sens large et comprennent le liquide interstitiel ou lymphe interstitielle qui baigne les cellules, la lymphe canalisée contenue dans des vaisseaux lymphatiques et le plasma qui est le liquide du sang (3 L) (figure 1.2). La composition de ce milieu intérieur doit rester stable, c’est l’homéostasie qui assure la survie des cellules.

Figure 1.1 Pourcentage d’eau dans l’organisme en fonction de l’âge et du sexe

Figure 1.2 Répartition des liquides dans l’organisme

Le liquide céphalo-rachidien (LCR) qui entoure le cerveau et la moelle épinière ainsi que les liquides des articulations (synovie), de l’œil, du tube digestif (TD) ou encore le liquide amniotique sont des liquides extracellulaires mais ne font pas partie du milieu intérieur.

La perte d’eau de l’organisme doit être compensée par les apports que sont l’eau contenue dans les aliments (1 L), les boissons (1,2 L) et l’eau métabolique provenant des réactions de la respiration cellulaire (0,3 L) soit 2,5 L par jour ou 35 g par kg de masse. Les pertes se font par l’excrétion (1,5 L d’urine), la digestion (0,1 L) (voir Le sodium, Le potassium et Le chlore, p. 18), la transpiration (0,5 L) et la respiration (0,4 L). La perte de 3 % de la masse d’eau déclenche la sensation de soif et la perte de 20 % est souvent mortelle.

Rôles de l’eau

– Le liquide intracellulaire est le milieu dans lequel se produit le métabolisme, ensemble des réactions chimiques se produisant dans une cellule. L’eau intervient dans les réactions d’hydrolyse qui se produisent notamment dans la digestion des aliments en nutriments. Par exemple la digestion du maltose en glucose nécessite de l’eau :

Figure 1.3 La molécule d’eau

Dans la molécule d’eau, H₂O, chaque atome d’hydrogène est relié à l’atome d’oxygène par une liaison covalente, hydrogène et oxygène mettant en commun un électron de leurs couches externes qui sont ainsi saturées, assurant à l’eau une grande stabilité. La position du nuage électronique de la molécule d’eau implique que les atomes d’hydrogène soient porteurs d’une faible charge électrique positive et les atomes d’oxygène d’une faible charge négative. Ce déséquilibre électrique est responsable du grand pouvoir dissolvant de l’eau.

Tableau 1.II Composition ionique de deux liquides : le plasma et la lymphe

Figure 1.4 Transport d’eau par osmose à travers une membrane

Inversement, les réactions de déshydratation sont des réactions qui libèrent de l’eau. Par exemple la synthèse de glycogène à partir de glucose dans le foie :

Eau et température

L’eau s’échauffe lentement : il faut 1 calorie pour augmenter de 1 °C la température de 1 g d’eau. Par contre elle se refroidit rapidement. Ainsi l’eau contribue à l’équilibre thermique des organismes. Chez l’homme les circulations sanguine et lymphatique jouent un rôle dans le transport de chaleur à l’intérieur du corps. Cette chaleur provient des réactions du métabolisme cellulaire. Elle est dissipée dans le liquide interstitiel.

Eau et intoxication

Une consommation excessive d’eau peut entraîner un œdème cérébral avec des troubles du comportement, de la conscience, des crises convulsives et la mort. L’absorption importante d’eau dilue le plasma sanguin qui devient hypotonique. Par osmose de l’eau entre dans les hématies qui deviennent turgescentes voire éclatent (hémolyse). L’ingestion de plus de 5 L d’eau en un temps très court aboutit à une hémolyse mortelle.

Localisation

Cette molécule de formule H₂O₂ est présente dans les peroxysomes, organites cellulaires dans lesquels ont lieu des réactions d’oxydation (figure 1.5).

Figure 1.5 Peroxysome de foie humain. (× 50 000 photomicrographie en MET)

Réactions d’oxydation

Les peroxysomes contiennent des enzymes qui oxydent des substrats organiques spécifiques (RH₂) en leur enlevant des atomes d’hydrogène en présence de dioxygène :

L’eau oxygénée va oxyder d’autres substrats (R’H₂) grâce à une enzyme, la catalase ; ces réactions sont appelées de « peroxydation » :

Les substrats peuvent être divers comme par exemple les phénols, l’acide formique, le formaldéhyde ou encore l’alcool. Ainsi une grande partie de l’alcool, molécule toxique, consommée par un individu est oxydée en acétaldéhyde. Ces réactions d’oxydation sont importantes particulièrement dans les cellules hépatiques et rénales.

Lorsqu’un excès de H₂O₂ s’accumule dans la cellule la catalase le transforme en eau et dioxygène :

Lyse des bactéries

Au cours de la phagocytose, les phagosomes sont des vacuoles qui se forment dans les phagocytes (macrophages et polynucléaires neutrophiles) par englobement et endocytose de bactéries. Une fois formés ces phagosomes vont en général fusionner avec des lysosomes, organites riches en hydrolases, enzymes hydrolytiques pour former des phagolysosomes. Mais avant cette fusion les bactéries vont subir des oxydations grâce à l’action d’oxydants produits par une enzyme de la membrane du phagosome : la NADPH oxygénase. Le peroxyde d’hydrogène fait partie de ces oxydants.

Prélèvement du dioxygène de l’air

Le dioxygène O₂ nécessaire à toutes les cellules de l’organisme est prélevé dans l’air grâce à la ventilation assurée par l’appareil respiratoire. Dans les conditions normales de température et de pression (0 °C et 760 mmHg) ce gaz est incolore et inodore.

Les échanges d’O₂ se font entre l’air des alvéoles pulmonaires (milieu extérieur) et le sang (milieu intérieur) à travers la paroi alvéolaire selon un gradient de pression partielle en O₂. La pression partielle en O₂ étant plus faible dans le sang non hématosé qui arrive aux alvéoles que dans l’air alvéolaire, ce gaz diffuse de l’air alvéolaire vers le sang (figure 1.6). L’enrichissement du sang en O₂ s’appelle l’hématose. La différence de pression partielle est entretenue par la circulation sanguine qui apporte en permanence du sang pauvre en O₂ au niveau des parois alvéolaires et par la ventilation pulmonaire qui assure le renouvellement de l’air alvéolaire. Lorsque les pressions partielles en O₂ de l’air alvéolaire et du sang hématosé s’équilibrent le gaz ne diffuse plus.

Figure 1.6 Diffusion du dioxygène entre l’air alvéolaire et le sang

Une diminution du taux d’O₂ dans le sang et dans les cellules peut avoir de graves conséquences. Plusieurs termes médicaux traduisent ces déficits en O₂ :

l’hypoxémie est une diminution de la quantité d’O₂ dans le sang,

l’anoxémie est une diminution importante de la quantité d’O₂ dans le sang,

l’hypoxie (ischémie) est une diminution de l’apport en O₂ au niveau d’un tissu ou de cellules,

l’anoxie est une diminution importante de l’apport en O₂ au niveau d’un tissu.

L’air inspiré contient environ 21 % d’O₂, une diminution de la teneur à 17 % provoque des malaises, à 9 % des évanouissements et en dessous de 7 % conduit à l’asphyxie.

Transport du dioxygène par le sang

Le O₂ est transporté jusqu’aux cellules qui consomment ce gaz pour produire de l’énergie, c’est la respiration cellulaire. L’O₂ va être transporté principalement par l’hémoglobine des hématies (98 %) et pour une faible part sous forme dissoute dans le plasma et le cytoplasme des hématies (2 %). L’hémoglobine (Hb) est une hétéroprotéine formée de :

une partie non protéique, ou groupement prosthétique, constituée par quatre hèmes porteurs chacun en leur centre d’un fer ferreux Fe²⁺ ;

une partie protéique ou globine formée de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux : deux chaînes α et deux chaînes β (figure 1.7).

Figure 1.7 L’hémoglobine

Une molécule d’O₂ peut se fixer sur chaque ion de fer ferreux. L’hémoglobine qui a fixé quatre molécules de O₂ est saturée, elle est appelée oxyhémoglobine et donne la couleur rouge vif au sang.

Le Fe²⁺ peut être oxydé en fer ferrique Fe³⁺ qui ne fixe plus le O₂, dans ce cas l’hémoglobine est appelée méthémoglobine et le transport du O₂ n’est plus assuré.

Le fer ferreux peut aussi fixer le monoxyde de carbone CO avec une affinité beaucoup plus grande que celle pour l’O₂, l’hémoglobine devient de la carboxyhémoglobine (HbCO) qui n’assure plus le transport d’O₂.

Le dioxyde de carbone (CO₂) est en partie transporté par l’hémoglobine des hématies. 20 à 25 % du CO₂ se fixent à la fonction amine (–NH₂) de certains acides aminés de l’hémoglobine mais aussi des protéines du plasma. La fixation du CO₂ par l’ hémoglobine donne de la carbaminohémoglobine ou carbhémoglobine dans les hématies. Cette fixation facilite le départ d’O2 donc la dissociation de l’oxyhémoglobine.

Une augmentation de la pression partielle en CO₂ dans le sang (hypercapnie) favorise la libération d’O₂ par l’hémoglobine au niveau des cellules. De même, une augmentation de la température et une baisse du pH (acidose) favorisent cette libération. Ces facteurs, qui abaissent l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂ et facilitent donc sa libération au niveau tissulaire, constituent l’effet Bohr. Lors d’un effort physique, ces conditions se réalisent notamment au niveau des tissus musculaires en activité, permettant ainsi une plus grande consommation d’O₂ et donc une production d’énergie plus importante. Dans les cellules musculaires ou myocytes, l’O₂ est en partie pris en charge par la myoglobine, protéine qui n’est formée que d’une globine.

Respiration cellulaire et production d’énergie

L’ensemble des réactions biochimiques qui se produisent dans la cellule est appelé métabolisme. Il est constitué du catabolisme et de l’anabolisme. Le catabolisme est l’ensemble des réactions de dégradation qui libèrent de l’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) : ces réactions sont dites exergoniques. L’anabolisme est l’ensemble des réactions de synthèse qui consomment de l’énergie sous forme d’ATP : ces réactions sont endergoniques ou endoénergétiques. La molécule d’ATP est donc un intermédiaire énergétique.

Figure 1.8 Courbe de Barcroft, saturation de l’hémoglobine en dioxygène en fonction de la PO₂

La molécule d’ATP présente entre les groupes phosphates des liaisons riches en énergie « ∼︀ » :

L’hydrolyse de l’ATP en adénosine diphosphate (ADP) et phosphate inorganique (Pi) fournit de l’énergie à la cellule. Elle est catalysée par une enzyme, l’ATPase :

Figure 1.9 Formule développée de l’ATP

L’organisme humain consomme en moyenne 70 kg d’ATP par jour. Mais la teneur des cellules en ATP est faible et constante, aussi les cellules régénèrent-elles en permanence l’ATP consommé. Cette régénération est couplée avec la dégradation de substrats organiques (glucose) par fermentation et surtout par respiration. Elle consomme du dioxygène lors de la respiration cellulaire.

La régénération de l’ATP à partir d’ADP et Pi est une phosphorylation catalysée par l’enzyme ATP synthase ou ATP synthétase.

Il y a formation de deux molécules d’ATP. La glycolyse est une étape qui ne nécessite pas d’O₂ (figure 1.10).

Figure 1.10 Réaction de la glycolyse

T = accepteur de protons (H⁺) et d’électrons (e⁻) ; T = composé oxydé ; T(2H⁺ + 2e⁻) = composé réduit

Figure 1.11 Le cycle de Krebs (métabolisme aérobie des glucides)

Figure 1.12 Respiration cellulaire

L’équation bilan de la dégradation du glucose pour former de l’énergie lors de la respiration cellulaire s’écrit :

Le catabolisme aérobie d’une mole de glucose (180 g) produit 38 ATP : 2 issus de la glycolyse qui a lieu dans le cytoplasme et 36 issus des réactions qui se déroulent dans la mitochondrie fournissant 2 815 kJ. Environ 40 % de l’énergie potentielle libérée par une molécule de glucose est convertie en ATP. Le reste de cette énergie est dégagé sous forme de chaleur. Cette dernière participe au maintien d’une température corporelle constante.

Dans la mitochondrie les acides gras subissent une β–oxydation (ou hélice de Lynen) et sont transformés en acétylcoenzyme A qui rejoignent le cycle de Krebs. Cette dégradation est très énergétique : une mole d’acide palmitique permet la formation de 130 ATP.

L’azote

L’azote (N) est un élément qui entre dans la composition de nombreuses molécules organiques notamment les acides aminés (voir les acides aminés page 34), molécules de base des protides et les bases azotées des acides nucléiques (ADN et ARN). Certains lipides peuvent également contenir de l’azote. Les déchets azotés transportés par le sang et éliminés dans l’urine comme l’urée, l’acide urique produit de dégradation des acides nucléiques, la créatinine provenant des cellules musculaires contiennent de l’azote.

L’air atmosphérique contient 79 % de diazote (N₂). La pression partielle du N₂ est de 79 kPa ou 590 mmHg dans l’air au niveau de la mer. Selon la loi de Henry la quantité de gaz dissoute dans un liquide est proportionnelle à sa pression et à sa solubilité à température constante.

Le diazote est utilisé dans l’emballage des aliments périssables pour prolonger leur durée de conservation. Il peut aussi être utilisé comme pesticide en asphyxiant les organismes.

L’azote liquide est de l’azote refroidi en dessous de son point d’ébullition qui est à –195,79 °C. Il a l’aspect d’un liquide limpide d’où s’échappe un nuage blanc. Ce nuage est en fait de la vapeur d’eau qui à basse température se condense et gèle.

L’ammoniac

L’ammoniac (NH₃) est un gaz incolore d’odeur vive. Il peut se former à partir de diazote et d’hydrogène :

Il se dissout facilement dans l’eau avec dégagement de chaleur et donne une solution aqueuse appelée ammoniaque.

Dans les cellules hépatiques, la désamination oxydative des acides aminés peut fournir de l’énergie à l’organisme. Cette désamination libère de l’ammoniac qui est toxique. L’élimination de ce dernier de l’organisme se fait selon plusieurs processus. Selon le cycle de l’urée, l’ammoniac se combine avec du dioxyde de carbone (CO₂) pour former de l’urée NH₂–CO–NH₂. L’uréogenèse qui a lieu exclusivement dans le foie se divise en deux phases : la phase mitochondriale et la phase cytosolique.

L’acide nitrique

L’acide nitrique (HNCO₃) est un composé oxygéné dérivé de l’azote, c’est un acide fort et oxydant. Il est fabriqué dans l’organisme au niveau des cellules de l’endothélium vasculaire à partir de la L-arginine. Cette réaction produit aussi de la L-citrulline qui est elle-même convertie en L-arginine qui « autoalimente » la source de production de l’acide nitrique.

L’acide nitrique a une action vasodilatatrice donc il diminue la pression sanguine et augmente le flux sanguin.

Les nitrites et nitrates

Les nitrates (NO₃⁻) présents dans notre alimentation (eau, légumes, charcuteries) sont transformés dans l’organisme en nitrites (NO₂⁻). Chez le nourrisson un excès de nitrites empêche la fixation d’O₂ par l’hémoglobine devenue de la méthémoglobine. Les cellules sont privées d’O₂ et sont asphyxiées, on parle de « maladie bleue ».

Le monoxyde d’azote ou oxyde nitrique

Le monoxyde d’azote NO joue un rôle de messager chimique dans certaines cellules (voir chapitre 2 : La cellule).

Phosphates et phosphorylation des protéines

Les phosphates interviennent également dans la phosphorylation des protéines. 10 % des protéines intracellulaires seraient concernées. Un groupement phosphate de l’ATP est transféré à un groupement OH sur une chaîne latérale de la sérine ou thréonine ou lysine ou encore tyrosine de la protéine en formant une liaison covalente (figure 1.13). Cette phosphorylation, contrôlée des protéines, activeou inhibe la fonction des protéines spécifiques des cellules eucaryotes. Par exemple au niveau de la membrane plasmique les protéines Na⁺/K⁺ ATPase-dépendantes assurent le pompage d’ions Na⁺ et K⁺ qui maintient une différence de gradient de concentration entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire (voir Le sodium, le potassium et le chlore, ci-dessous). La phosphorylation de ces protéines modifie leur forme permettant le transport des ions à travers la membrane.

Figure 1.13 Modifications covalentes réversibles

Ces modifications se produisent dans des protéines pour régler leur activité. Chaque modification représentée change la charge d’une chaîne latérale d’acide aminé. La modification la plus commune est la phosphorylation d’un groupement OH sur une chaîne latérale de sérine, de thréonine, ou de tyrosine d’une protéine ; on a estimé que 10 % environ des protéines cytosoliques dans les cellules animales sont modifiées de cette façon

Phosphates et lipides

Les phosphates peuvent s’associer à des lipides et former des phospholipides. Ce sont les principaux constituants de la membrane plasmique (voir Les lipides, p. 38).

Phosphates et tissu osseux

Le phosphate a une part importante dans la composition de l’os. Les ostéoblastes, cellules du tissu osseux fabriquent la matrice extracellulaire de l’os ou tissu ostéoïde non encore minéralisée. Puis sous l’action d’une enzyme la phosphatase alcaline, la minéralisation a lieu avec dépôt de phosphate et de calcium.

Phosphates et énergie

Les groupements phosphates entrent dans la composition de l’ATP, molécule énergétique de la cellule fabriquée lors de la respiration ou dans une moindre importance lors de la fermentation (voir Le dioxygène, p. 7). Les liaisons chimiques entre les phosphates sont des liaisons riches en énergie. La rupture de ces liaisons phosphates libère par hydrolyse de l’énergie immédiatement utilisable par la cellule. L’ATP est régénéré par phosphorylation (addition d’un phosphate) de l’ADP. L’ATP est donc un intermédiaire énergétique.

Par exemple une cellule musculaire en activité utilise la totalité de son ATP en une minute mais cette molécule est régénérée au fur et à mesure de sa dégradation. On estime que 10 millions de molécules d’ATP sont utilisées et régénérées par seconde dans cette cellule. Ceci représente au niveau de l’organisme lors d’une activité intense 0,5 kg d’ATP utilisé par minute.