Marc HENRY - L'Eau dans la Cellule - Le Milieu Intra-Cellulaire - 7/7
7/7 - Marc HENRY - L'Eau dans la Cellule - Le Milieu Intra-Cellulaire
Septième partie d'une formation présentée par Marc HENRY, professeur en physique quantique sur le thème des utilisations de l'eau en agriculture. Dans ce premier volet d'une formation en quatre parties, le thème abordé sera l'eau dans la cellule.
Composition d’une cellule vivante
Marc Henry propose de quitter une approche par la masse, jugée peu éclairante sur le fond, pour raisonner en nombre d’objets. Selon lui, c’est à cette échelle que l’on revient à « la racine des choses ».
Pour illustrer cela, il prend l’exemple d’une cellule vivante, ici une bactérie, Escherichia coli. Il précise qu’à l’échelle cellulaire, les différences entre bactérie, humain, champignon ou ver de terre ne sont pas essentielles si l’on s’intéresse seulement aux petits objets qui composent la cellule : on retrouve globalement la même organisation d’ensemble, malgré quelques détails distinctifs.
À partir de la composition d’Escherichia coli, rapportée à 100 g, il rappelle qu’on trouve environ 70 g d’eau, soit 70 % en masse. En connaissant la masse d’une bactérie (de l’ordre de 10-13 g) et sa taille (environ 1 micromètre de longueur pour 0,5 micromètre de rayon, sous forme de petit cylindre), on peut calculer combien il y a de molécules d’eau dans une cellule vivante. Il annonce un ordre de grandeur de plusieurs dizaines de milliards de molécules d’eau.
Cette manière de compter permet aussi d’estimer le nombre des autres constituants : ions, acides aminés, lipides, nucléotides, protéines, ARN, polysaccharides et ADN. Mais l’idée essentielle est ailleurs : en nombre, un être vivant est constitué presque entièrement d’eau.
Marc Henry insiste sur ce point : si l’on considère le nombre d’entités présentes, un être vivant est fait à environ 99 % d’une seule substance, l’eau. Les ions représentent une petite fraction supplémentaire, de l’ordre de quelques dixièmes de pour cent, et toute la matière organique réunie ne représente plus qu’une part infime, autour de 0,4 %.
Il en tire la conclusion suivante : un être vivant est avant tout de l’eau, avec des ions dispersés dans une matrice organique. Même si, en masse, cette matière organique peut représenter environ 30 %, en nombre elle devient négligeable. Il faut donc très peu de matière organique, mais beaucoup d’eau et beaucoup d’ions.
Les ions de la vie
Marc Henry énumère ensuite ce qu’il appelle les « ions de la vie » :
- potassium
- magnésium
- sodium
- chlorure
- bicarbonate
- fer
- calcium
- oligoéléments : zinc, sélénium, cuivre, chrome, manganèse, bore, molybdène, cobalt, strontium, nickel, vanadium, etc.
Il affirme qu’il faut de l’eau et tous ces éléments pour qu’un être vivant puisse commencer à fonctionner.
Il introduit ici une distinction fondamentale entre deux rôles :
- certains éléments servent à la structure ;
- d’autres servent à la fonction.
Les éléments de structure permettent d’édifier une organisation spatiale, une architecture, un « squelette ». Les éléments de fonction ne sont pas là pour construire la structure, mais pour permettre à cette structure d’agir, de remplir un rôle.
L’eau, selon lui, est particulièrement importante parce qu’elle agit sur les deux plans : elle sert à la fois à la structure et à la fonction.
Le potassium, cation de structure
Le potassium est présenté comme un cation de structure. Marc Henry explique qu’il est toujours associé aux protéines, lesquelles portent globalement des charges négatives. Or la matière ne pouvant pas exister durablement sous forme électriquement déséquilibrée, il faut compenser ces charges négatives par une espèce positive. La nature a choisi pour cela le potassium.
Ainsi, la présence de potassium est le signe d’une structure intacte. Inversement, si du potassium s’échappe dans l’eau, cela signifie que la structure est en train de se défaire. Une augmentation du potassium libre est donc interprétée comme un signe de destruction de la structure, autrement dit comme un signe de mort.
Marc Henry souligne que le potassium est l’ion le plus important en concentration parmi ces ions cellulaires.
Le magnésium, cation de fonction
Après le potassium vient le magnésium, qu’il classe parmi les cations de fonction. Contrairement au potassium, le magnésium n’est pas là pour bâtir des structures, mais pour circuler et assurer des fonctions.
Son rôle principal est d’aller se fixer partout où se trouvent des phosphates. Or les phosphates se rencontrent :
- dans l’ADN ;
- dans l’ARN ;
- dans les molécules énergétiques ou fonctionnelles comme l’ATP, l’ADP, le NADH, le NADPH.
Toutes ces molécules à base de phosphore apportent des charges négatives, qu’il faut compenser par une charge positive. C’est le magnésium qui assure cette compensation.
Par conséquent, s’il manque de magnésium, la structure peut subsister grâce au potassium, mais les fonctions disparaissent. Et sans fonction, la vie cesse également. Marc Henry résume donc l’idée ainsi : on peut mourir par destruction de la structure, mais aussi par absence de fonction.
Le sodium et le chlorure, ions d’hydratation
Le sodium est présenté comme un cation d’hydratation. Son rôle est de régler l’état hydrique de la cellule.
Comme une cellule est très majoritairement composée d’eau, cette eau doit pouvoir entrer ou sortir. Il faut donc un agent de régulation de ce mouvement : c’est le sodium. En pratique, ce n’est pas le sodium seul qui agit, car la matière doit rester électriquement neutre. Il est donc associé à un anion, le chlorure. C’est la paire chlorure de sodium qui règle les mouvements de l’eau.
Marc Henry explique ainsi que :
- quand on a trop d’eau, il faut déshydrater ;
- quand on n’en a pas assez, il faut hydrater ;
- on joue pour cela sur le sel.
Il rappelle également qu’une forte concentration de sel attire l’eau.
Le bicarbonate et la régulation du pH
Le bicarbonate intervient dans la régulation du pH. Marc Henry rappelle que, dans l’eau, plusieurs paramètres sont importants :
- la résistivité, principalement pilotée par le chlorure de sodium ;
- le pH, c’est-à-dire la concentration en ions H3O+ ;
- l’état d’oxydoréduction, qui sera évoqué ensuite avec le fer.
Le bicarbonate intervient via l’équilibre suivant :
- CO2 + H2O ⇌ acide carbonique ⇌ HCO3- + H+
L’acide carbonique est décrit comme très instable, et sa décomposition permet d’ajuster la concentration en protons, donc le pH.
Marc Henry relie cela à la respiration :
- si l’on respire très vite, on diminue la concentration en CO2 ; cela fait diminuer les protons et rend le milieu plus alcalin ;
- si l’on retient sa respiration, on augmente le CO2 ; cela pousse l’équilibre vers une acidification du sang.
Le bicarbonate est donc indispensable chez les êtres respirants pour régler le pH par l’intermédiaire de la respiration.
Le fer et l’état redox
À côté du pH, Marc Henry rappelle qu’il faut aussi contrôler l’état redox, noté rH2 dans son exposé. C’est le rôle du fer.
Le fer possède deux degrés d’oxydation :
- Fe2+, forme réductrice ;
- Fe3+, forme oxydée.
Il souligne que, dans ce cas, ce n’est pas le proton mais l’électron qui détermine la variation de l’état d’oxydoréduction. Le fer permet donc de faire varier cet état redox, indispensable au fonctionnement du vivant.
Le calcium, ion du message
Le calcium est présenté comme un autre cation de fonction. Son rôle n’est pas structurel, mais informationnel : c’est l’ion du message.
La cellule doit traiter de l’information. Il lui faut donc un signal capable d’indiquer qu’« il se passe quelque chose » et qu’une réponse doit être déclenchée. Ce rôle de messager est attribué au calcium.
Marc Henry note au passage que les ions de fonction se reconnaissent souvent au fait qu’ils sont nécessaires en plus faibles concentrations que les ions de structure.
Les éléments organiques : CHONPS
Marc Henry invite à retenir l’acronyme CHONPS :
Ce sont, selon lui, les éléments organiques nécessaires à la structure et à la fonction.
Il distingue à nouveau :
- les éléments de structure : surtout C, H, O, N ;
- les éléments de fonction : surtout P et S.
Il précise que certaines approches de la matière organique se limitent parfois à CHON, parce qu’elles ne s’intéressent qu’à la structure. Mais dès qu’on veut tenir compte à la fois de la structure et de la fonction, il faut rajouter le phosphore et le soufre.
Espèces chargées et espèces neutres
Marc Henry sépare ensuite les éléments chargés électriquement des combinaisons neutres.
Les ions, comme le magnésium, n’existent pas à l’état isolé sans charge compensatrice : ils doivent être accompagnés d’anions ou de cations de signe opposé. Ce sont des espèces chargées.
À l’inverse, certaines combinaisons d’atomes sont électriquement neutres. Il prend l’exemple du méthane CH4, constitué d’un carbone et de quatre hydrogènes. Cette molécule n’ayant pas de charge électrique, elle peut exister telle quelle, notamment à l’état gazeux.
Il relie cela à l’idée de valence : le carbone possède quatre valences, l’oxygène deux. À partir d’unités CH2, on peut former des chaînes carbonées par liaison carbone-carbone. On obtient ainsi des polymères ou des hydrocarbures.
Il donne l’exemple :
- du propane : CH3-CH2-CH3 ;
- de l’octane, composant de l’essence, construit sur une chaîne plus longue.
Ces molécules, étant électriquement neutres, peuvent exister à l’état gazeux, liquide ou solide selon la température et la pression.
Oxydation des hydrocarbures et combustion
Marc Henry explique ensuite que ces molécules carbonées réduites ont vocation à s’oxyder. L’espèce oxydée du carbone est le dioxyde de carbone CO2, et celle de l’hydrogène est l’eau H2O.
Quand une molécule comme le propane brûle :
- le carbone devient CO2 ;
- l’hydrogène devient H2O.
Cette transformation libère de la chaleur : c’est la flamme observée sur un briquet ou une cuisinière.
Il fait alors le parallèle avec la cellule : la cellule réalise une opération comparable, mais pas à partir du propane. Elle utilise du sucre.
Pourquoi le vivant utilise du sucre
Le vivant n’emploie pas des hydrocarbures gazeux comme le propane, mais des sucres. Marc Henry explique cela par le fait que les sucres peuvent exister à l’état solide, ce qui les rend beaucoup plus faciles à manipuler dans la cellule.
Il rappelle aussi le terme anglais carbohydrates, qui signifie littéralement des assemblages de carbone et d’eau. Dans le sucre, l’oxygène est déjà présent dans la molécule. On n’a donc pas besoin d’aller le chercher entièrement dans l’air comme pour brûler un hydrocarbure pur.
En oxydant le sucre, la cellule produit également du CO2 et de l’eau, tout en récupérant de l’énergie. Cette énergie sert à fabriquer l’ATP, molécule ensuite utilisée pour fournir de l’énergie à l’ensemble du métabolisme.
Pourquoi les ions ont besoin de l’eau
Marc Henry revient ensuite au cas des ions. Une espèce chargée, comme un cation, ne peut pas se maintenir seule. Dans un solide, les charges opposées sont au contact direct. Mais dans l’eau, les molécules d’eau peuvent entourer les ions et les séparer.
Il prend l’exemple d’un cation comme le magnésium, représenté avec six « picots », c’est-à-dire six sites de coordination. Six molécules d’eau viennent s’y fixer. Le magnésium reste chargé, mais il est désormais entouré d’une couche d’eau. De la même façon, l’anion opposé est lui aussi entouré d’eau.
L’eau forme ainsi des couches qui séparent les charges. Au lieu d’avoir un cation et un anion directement collés l’un à l’autre, on a :
- un cation hydraté ;
- un anion hydraté ;
- de l’eau entre les deux.
Les charges deviennent alors mobiles. Si l’on applique une différence de potentiel, les cations se déplacent vers l’électrode négative et les anions vers l’électrode positive : le courant électrique peut passer.
Marc Henry relie cela à l’idée d’électrolyte : l’eau permet la dissociation et la mobilité des ions.
De la bulle à la membrane cellulaire
Pour introduire la membrane cellulaire, Marc Henry rappelle l’expérience des bulles. Dans une bulle, un film sépare un intérieur d’un extérieur. La cellule repose sur le même principe.
Il repart d’une chaîne carbonée plus longue que le propane, par exemple avec 16 ou 18 groupes CH2. À l’une des extrémités, au lieu d’un simple groupement terminal neutre, il place une fonction carboxylate, capable de s’ioniser et de porter une charge négative.
On obtient alors une molécule ayant :
- une tête polaire chargée ;
- une longue queue carbonée hydrophobe.
Quand plusieurs de ces molécules sont présentes ensemble, les queues carbonées ont tendance à s’associer entre elles. Marc Henry insiste sur cette « grande loi de la nature » : plus on met de CH2, plus cela colle. Il rapproche cela de la cire d’une bougie, qui est formée de longues chaînes hydrocarbonées solides à température ambiante.
Mais ces molécules sont déséquilibrées : un côté est chargé, l’autre non. Pour compenser cela, elles s’assemblent par paires, avec les têtes polaires tournées vers l’eau et les queues hydrophobes face à face.
On obtient alors une bicouche lipidique, c’est-à-dire une membrane cellulaire.
La bicouche lipidique et la séparation des milieux
La bicouche lipidique présente :
- de l’eau d’un côté ;
- une couche d’huile ou de graisse au milieu ;
- de l’eau de l’autre côté.
Elle définit ainsi :
- un milieu intracellulaire ;
- un milieu extracellulaire.
Entre les deux, on trouve une couche d’huile. Marc Henry insiste sur ce point fondamental : entre le milieu intra- et extracellulaire, il existe une barrière lipidique comparable à l’huile.
Or tout le monde sait que l’eau et l’huile ne se mélangent pas. Il y a donc une séparation naturelle entre les deux milieux.
Il précise que l’épaisseur de cette bicouche est d’environ 7 nanomètres.
Le problème du passage des ions à travers la membrane
Cette organisation pose immédiatement un problème : les ions nécessaires à la vie se trouvent à l’extérieur, issus de la nourriture ou du milieu, mais beaucoup doivent entrer dans la cellule. Or, pour entrer, ils doivent franchir la bicouche lipidique.
Marc Henry prend l’exemple du magnésium. Sa taille est de l’ordre de 0,4 nanomètre, mais lorsqu’il est dans l’eau, il est hydraté, donc entouré de molécules d’eau. Il doit pourtant traverser une barrière lipidique d’environ 7 nanomètres d’épaisseur, dans laquelle il n’a « pas droit d’entrée », puisque l’eau et l’huile ne se mélangent pas.
Le problème central est donc posé : comment une espèce ionique, hydratée, peut-elle franchir une membrane lipidique qui sépare l’intérieur de l’extérieur de la cellule ?
Le passage s’arrête ici sur cette question, qui prépare la suite de l’explication.
