La cellule

La cellule vivante (en travaux 2005)

Sources:
L'eau dans la cellule vivante; État physique, fonctions, Pascale Mentré, 2002, in L'eau dans les aliments, M. Le Mestre, D. Lorient et D. Simatos coord., Tec & Doc (ISBN: 2-7430-0523-8)
L'eau dans la cellule, Pascale Mentré, 1995, Masson
Encyclopedia Universalis, article "vie", G. Canguilhem.
La théorie cellulaire, G. Canguilhem in La connaissance de la vie, Hachette, 1952 (pp 47-98)
Comment les cellules construisent l'animal, Rosine CHANDEBOIS, 1999, Phénix éditions, Paris
Le gène et la forme (ou la démythification de l'ADN), Rosine CHANDEBOIS, 1989, Ed. Espaces 34
Le cycle cellulaire chez les animaux et les végétaux, Jean Clos, Marc Coumans et Yves Muller, Biologie-Géologie, 3-2002, p 497-564
Un site en anglais (de Martin Chaplin) particulièrement riche: http://www.sbu.ac.uk/water/index.html
Un site à recommander avec des vidéos et un texte clair :http://www.cerimes.fr/e_doc/cellule/cellule.htm

Avertissement
Contrairement aux apparences, relayées par le titre et les intertitres, cette page n'est qu'un essai de synthèse d'éléments modernes et anciens qui, bien souvent, dépassent le cadre de la théorie cellulaire mais, pour cette fois encore, sans chercher à le dépasser.

La cellule vivante n'est pas plus une chambre (cellula en latin), qu'une solution aqueuse, ni encore qu'une unité d'un programme du vivant. Une cellule est tout simplement un moyen commode que scientifiques et philosophes ont trouvé pour décrire le vivant. C'est une unité structurale et fonctionnelle. La cellule comme unité de structure découle du premier axiome de la théorie (tout être vivant est composé d'au moins une cellule). La cellule comme unité fonctionnelle est le plus petit élément VIVANT, qui possède TOUTES les caractéristiques du vivant. Si on reprend la formulation qui m'est chère, c'est la plus petite unité AU TRAVAIL: plus petite unité qui réalise un travail de nutrition, de relation et de reproduction. Le deuxième axiome de la théorie cellulaire (toute cellule est issue d'une autre cellule) permet de repousser la question de la vie hors du champ biologique et vers le champ philosophique, mais n'est pas une réponse. La biologie doit se contenter de cette propriété du vivant qu'elle ne peut relier à aucun objet sans sortir de sa méthode (qui est expérimentale et qui ne peut répondre à la question de la vie). La question de la pluricellularité est solutionnée en disant que chaque cellule est vivante mais n'est pas un être vivant, autonome. Seule la totalité de l'être vivant, composé d'innombrables cellules, peut être qualifié d'être vivant. C'est aussi une fuite ou une esquive et non une réponse. Un début de réponse (philosophique) peut être apporté si l'on considère l'organisme pluricellulaire comme une société de cellules.

• le microscope optique (M.O. - 1) ne permet guère que de voir le noyau et le cytoplasme dont le contenu nous paraît clair mais hétérogène (un peu grumeleux). On peut aussi entr'apercevoir de gros organites comme des vacuoles, des chloroplastes ou des mitochondries. On peut colorer la cellule sans la tuer et voir par exemple les chloroplastes se déplacer entraînés par les mouvements du cytoplasme.
• Au microscope électronique (M.E. 2 et 3) la cellule est morte et fixée. Les structures ne sont pas vivantes mais mortes. De plus, on ne voit que celles qui fixent le colorant utilisé (tétroxyde d'osmium). On observe cependant une grande variété de structures. En 2 on distingue des mitochondries, des vésicules et les citernes du réticulum. En 3 les plus gros assemblages protéiques apparaissent comme les ribosomes et les microfilaments du cytosquelette.
• L'étape 4 n'est pas vraiment accessible à la microscopie pour des structures complexes en place mais représente ce que l'on peut imaginer être la réalité à partir d'observations de quelques éléments réellement observés mais isolés de la cellule et d'autres structures. On reconnaîtra en partant du coin gauche et en se déplaçant en diagonale vers le bas à droite: une vésicule dont la membrane (en noir) est une structure de près de 8 nm d'épaisseur, des macromolécules (en jaune) avec leur(s) couche(s) d'eau liée (les plus grosses protéines globulaires atteignent typiquement 5 nm de diamètre), un microfilament fin dessiné en arrière plan (en violet, leur diamètre varie de 5 nm pour les plus fins à 25 nm pour les plus épais), deux ribosomes (en gris, de diamètre environ 20 nm) autour d'un ARNm (en rouge, un filament de diamètre inférieur à 2 nm qui est le diamètre de la molécule d'ADN); les molécules organiques plus petites (de diamètre voisin du nanomètre - pensez qu'un aa comme la phénylalanine atteint déjà le nanomètre si l'on tient compte de sa couche d'eau liée - voir plus bas) avec leur(s) couche(s) d'eau liée encombrent le hyaloplasme; l'eau "libre" (en bleu clair) est rare et concentrée dans certains espaces.

1. Deux barrières à ouvrir pour une nouvelle conception de la cellule

1ère barrière entrouverte: l'unité structurale de la cellule ne vient pas de ses membranes (fluides) ou de structures macromoléculaires plus ou moins complexes baignant dans une solution aqueuse mais de son eau qui est, pour sa quasi-totalité, "coincée" au sein de la foule de macromolécules qui remplit la cellule: cette eau est interfaciale (structurée) et c'est elle qui contrôle le fonctionnement cellulaire:
Une cellule surpeuplée de macromolécules (le terme anglais de crowded est particulièrement évocateur).
Une cellule riche en eau mais en eau structurée et fonctionnelle.

Deux visions de la cellule s'affrontent encore...

une vision classique... physique	vers une vision plus complexe... biologique
l'eau, solution du vivant moléculaire une cellule est un sac rempli d'eau et de molécules organiques et minérales en solution aqueuse, siège d'innombrables réactions chimiques qui façonnent sa forme et son activité	l'eau structurante, structurée et exerçant un contrôle fonctionnel sur les complexes moléculaires du vivant une cellule est entièrement structurée, dynamique (en évolution: naissance, vie et mort), autonome (au fonctionnement intégré mais dont l'unité dépasse la somme des parties), vivante (au travail: de relation, de nutrition et de reproduction); les molécules ne sont plus en solution mais complexées, transportées, associées à des structures d'ordre supérieur
les structures intracellulaires sont des assemblages moléculaires stables : des complexes fonctionnels comme les ribosomes ou structurants comme les membranes (auxquelles sont associés des complexes fonctionnels enzymatiques par exemple). Ces structures sont dispersées ou regroupées dans le hyaloplasme, qui est fluide (ou à l'état de gel).	La totalité de la cellule peut être décrite à l'aide d'assemblages moléculaires et fonctionnels comme une membrane ou un ribosome: il n'y a pas d'espace, sauf vésicules particulières, où règne un milieu aqueux où puisse s'appliquer la chimie des solutions; lorsqu'on décrit un système moléculaire en interaction avec l'ADN, il faut prendre en compte toutes les relations de voisinage structural et non pas seulement les molécules que l'on pense pouvoir s'accoler directement à l'hélice d'ADN: l'action des molécules peut être mécanique par resserrement de la double hélice et agir donc à distance, voir, depuis la membrane cytoplasmique... changer notre conception du hyaloplasme change singulièrement notre approche des régulations... qui ne sont plus toujours chimiques mais qui peuvent être mécaniques, thermiques où ioniques...
Les membranes délimitent des compartiments où sont réalisées certaines parties du métabolisme; les molécules hydrosolubles diffusent librement dans chaque compartiment et passent d'un compartiment à l'autre à l'aide de pompes ou de canaux	Les compartiments ne sont plus seulement membranaires mais doivent être redéfinis en terme d'accessibilité des molécules aux différentes réactions chimiques réalisées dans ce compartiment et en termes d'échanges entre compartiments: la compartimentation est aussi bien temporelle que spatiale: le terme de division du travail est on ne peut plus d'actualité; les molécules sont toujours transportées dans un compartiment aussi bien que d'un compartiment à l'autre. Ces transports peuvent rendre compte de métabolismes rapides.
De l'observation à l'imagination Un essai de représentation d'un modèle biologique d'une cellule "théorique" comme "complexe moléculaire structuré" (le schéma du cytoplasme est extrait et très modifié de Pascal Mentré, L'eau dans la cellule, Masson, 1995, p 173 fig 8.7)

Quelques points majeurs, essentiellement d'après Mentré, 2002 (à qui on se reportera pour les références aux publications scientifiques dont les auteurs ne seront pas cités dans cette page de synthèse, étant donné que je ne les ai pas lus... ):
- l'eau représente près de 80% en masse de la cellule vivante mais cette eau est à près de 80% sous forme d'un film interfacial d'environ 1,1 nm d'épaisseur qui se trouve entre les molécules organiques structurant la cellule. Il reste donc 20% d'eau libre où s'appliquent les lois de la chimie des solutions aqueuses, principalement de l'eau présente dans des vésicules.
Pour comprendre comment une augmentation de la surface de contact, qui est due à la faible taille des macromolécules, augmente considérablement le volume d'eau associé à un ensemble de macromolécules, on peut prendre l'exemple de l'ADN: à chaque nucléotide est associé environ 20 molécules d'eau (eau "liée", très structurée, non congelable) ce qui représente environ 80% du poids de la molécule d'ADN. Si l'on place de l'ADN cristallisé en solution aqueuse il gonfle, ce que l'on peut expliquer par la mise en place d'au moins une seconde couche d'eau entre les brins d'ADN, couche moins structurée et congelable, dont l'origine pourrait provenir du caractère fortement électrolytique de la molécule d'ADN. Dans une cellule vivante, l'eau associée à l'ADN atteint ainsi une masse nettement supérieure à la masse d'ADN. On peut donc comprendre que, tout comme ses composants moléculaires, dont la forme est à la fois stabilisée par l'eau et due en partie à cette hydratation, la cellule contient une énorme quantité d'eau, fortement structurante et structurée.

L'ADN, une molécule très hydratée	Pour une molécule organique de 2 nm de diamètre (de l'ordre de celui de la molécule d'ADN) supposée sphérique (donc de volume 33,5 nm3), une couche d'hydratation dont l'épaisseur est estimée à 0,27 nm correspond à un volume de (4/3 º (2,273-23)nm3= 15,5 nm3 ) soit un volume relatif de (2,273-23/23 ) soit 46%. Avec une deuxième couche d'eau on atteint 105 % et 177% avec une troisième couche d'eau. Il faut cependant raisonner en masse et non en volume et avec des molécules de forme très complexe, mais toute augmentation de la surface de la molécule va bien de le sens d'une augmentation de la masse d'eau associée dans des proportions très importantes qui ne sont évidentes que pour un chimiste.
Il est évident que, si la majorité des scientifiques actuels s'accordent pour la présence d'une couche d'eau "liée", l'épaisseur de la "coquille d'hydratation" est fortement discutée par les spécialistes. La première couche d'eau est appelée eau liée (bound water). Les couches d'eau d'ordre supérieur sont appelées eau structurée (structured) ou polarisée (polarized) ou contrainte (strained) ou encore vicinale (vicinal). L'eau dont les molécules ne sont pas en interaction avec la macromolécules forme une eau "libre" qualifiée d'eau bulk. C'est par exemple l'eau contenue dans des vésicules (de pinocytose) d'un diamètre de l'ordre de 100 nm ou supérieur (vacuole des plantes ?). Enfin il existe aussi une eau constitutive des macromolécules, inextractible sans modifier profondément la structure et la fonction de la molécule.
En sachant que l'empilement de sphères le plus dense atteint près de 75% du volume total (c'est la fameuse conjecture de Kepler qui a reçu une démonstration faisant intensément appel à l'informatique par Hales en 1999), on peut faire entrer approximativement, dans un volume Vo donné d' environ 70 µm3, 100 sphères de 1 micromètre (1 µm) de diamètre, possédant une couche d'eau liée environ 1,1 nm d'épaisseur ou 73 millions de sphères d'un diamètre 100 fois plus petit (10 nm) avec une couche d'eau liée de la même épaisseur. Le volume d'eau liée dans le premier cas est de l'ordre de 0,2 µm3 (en fait 0,25% du volume total) alors que dans le second cas, il atteint 14 µm3 (soit 20% du volume total). Pour des ions hydratés les calculs sur le volume sont inefficaces mais on peut raisonner sur le nombre d'ions et de molécules. L'eau représente bien plus de 50% du volume. Un ion K+ est solvaté en moyenne par 4 molécules d'eau. Le rayon ionique (voir plus bas) est de l'ordre de 0,121 nm ce qui ferait plus de 7.000 milliards d'ions dans un volume de 70 µm3. Ce qui correspondrait à un nombre 4 fois plus élevé de molécules d'eau associées. En masse on a 35% de K+ pour 65% d'eau. Cette analogie géométrique peut aider à comprendre comment une cellule contiendrait 80% de son eau sous forme d'eau interfaciale (liée) constituant un microfilm de 1,1 nm d'épaisseur autour des macromolécules cellulaires.	DIVISER pour CROÎTRE en surface volume Vo (environ 70 µm3) 100 sphères 73 millions de sphères 1 µm de diamètre 10 nm de diamètre (1/100 µm) une couche d'eau liée de 1,1 nm d'épaisseur volume d'eau liée d'environ 0,2 µm3 soit 0,25% du volume total volume d'eau liée d'environ 14 µm3 soit 20% du volume total

Même si les spécialistes discutent pour savoir quel est le nombre habituel de couches d'eau liée autour des macromolécules, elles sont omniprésentes. Une molécule est toujours entourée d'eau plus ou moins fortement attachée à elle. Cette eau est ordonnée selon les interactions qu'elle développe avec la molécule à laquelle elle se lie: on parle ainsi d'eau liée ou d'eau structurée. Par rapport à la figure 1, cette figure correspondrait à un grossissement environ dix fois plus fort le grossissement le plus fort de la figure 1 soit environ 5.000.000 de fois; ce qui n'est bien sûr pas accessible à une quelconque technique microscopique sur des molécules en place dans un cytoplasme, et encore moins sur de la matière vivante. Nous devons donc nous contenter d'interprétations, réalisées par des méthodes indirectes, et non d'observations.

Quelques formes de l'eau structurée interfaciale: - les molécules d'eau établissent des liaisons hydrogène entre elles (structure ice-like) qui sont fortement favorisées dans les poches hydrophobes et au voisinage des domaines apolaires des molécules; - les molécules d'eau (polarisées) sont fortement attirées par les domaines ionisés des molécules et forment une eau électrostrictée dont la densité peut atteindre 1,2. Les molécules d'eau électrostrictée s'échangent sans cesse avec l'eau bulk; - les molécules d'eau sont fortement immobilisées par des liaisons hydrogène (de structure variées) au niveau des domaines polaires.   Les liaisons hydrogène sont responsables de nombre de propriétés originales de l'eau liquide et solide (voir page sur l'eau). La petite taille du proton est à l'origine de l'intensité de la liaison hydrogène car un champ électrostatique engendré par une particule de charge q varie en q/d2, si d est la distance au centre de la particule. Le proton forme un pont entre un atome donneur auquel il est lié de façon covalente (O) et un atome accepteur qu'il attire électriquement (O ou N, mais aussi C ou encore un nuage d'électrons º d'un cycle aromatique...) . L'habituelle linéarité de la liaison hydrogène observée entre molécules d'eau dans la glace, n'est pas conservée dans toutes les liaisons hydrogène qui peuvent aussi présenter des énergies variables en fonction de leur longueur (8 kJ.mol-1 pour les plus courtes liaisons à 42 kJ.mol-1 pour les liaisons les plus longues). L'établissement d'une liaison hydrogène modifiant les caractéristiques du donneur et de l'accepteur, on observe un phénomène de coopérativité qui facilite l'établissement de liaisons en chaîne. Ces chaînes de molécules d'eau liée expliqueraient nombre de fonctions de l'eau interfaciale.   La solvatation résulte de l'établissement de liaisons électrostatiques entre les molécules d'eau et les ions et de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau de cette "couche" dite de solvatation. Le nombre moyen de molécules d'eau de la couche de solvatation dépend de la charge de l'ion et de son rayon atomique: plus l'ion est chargé plus il attire les molécules d'eau; et à charge égale, plus un ion a un rayon ionique important, moins il attire de molécules d'eau. Pour un ion de grande taille de charge négative comme le chlore, cette charge est répartie sur toute la surface de l'ion (1/S=1/º R2) est est donc plus faible que pour un ion de petite taille comme de sodium. Ainsi l'ion chlorure est solvaté par environ 3 molécules d'eau pour un rayon de solvatation inférieur au rayon de l'ion dans un solide ionique (NaCl) alors que l'ion sodium est solvaté par environ 5 molécules d'eau et son rayon ionique est presque deux fois plus faible que lorsqu'il est solvaté. Un autre exemple est le lithium (ion Li+) qui est solvaté par environ 6 molécules d'eau ce qui fait passer son rayon ionique de 0,060 nm à 0,236 nm (soit près de 4 fois plus) lorsqu'il est solvaté. L'ion potassium (K+), volumineux, et ne portant qu'une seule charge positive, n'est solvaté que par 4 molécules d'eau en moyenne, et passe d'un rayon ionique de 0,133 nm à 0,121 nm lorsqu'il est hydraté. Dans un champ électrique, EN SOLUTION, les ions les plus petits et les plus solvatés migrent le plus lentement. Les clathrates sont des structures polyédriques à faces pentagonales qui contiennent des molécules d'eau réunies par des liaisons hydrogène et des molécules hydrophobes (on connaissait les clathrates en géologie où c'est une forme d'association de l'eau avec les hydrocarbures, et en astrophysique où ces structures ont été utilisées pour expliquer certaines caractéristiques spectroscopiques des rayonnements de certaines corps célestes) . Les clathrates sont très stables, cristallisables, et peuvent contenir jusqu'à 90% d'eau. On pense que des structures de type clathrates, imparfaites, seraient extrêmement fréquentes pour les molécules biologiques hydrophobes et même au voisinage des domaines hydrophobes de macromolécules. Les 3 types principaux de structuration de l'eau au voisinage d'une macromolécule: eau de solvatation (remarquez la seconde couche d'eau liée à la première par des liaisons hydrogène: la première couche est appelée eau liée (sous-entendu à la macromolécule), la seconde, eau structurée), eau liée par des liaisons hydrogène à des domaines polaires ou à des nuages d'électrons º (là aussi une seconde couche d'eau stabilise la première couche), eau liée par des liaisons hydrogène en structures de type clathrate au voisinage de domaines hydrophobes (d'après Mentré, 1995, Fig 12.2 principalement).

- L'eau cellulaire est très hétérogène:
* elle est polarisée (anisotrope),
* elle présente des variations importantes dans son architecture, son degré de coopérativité et sa densité,
* elle possède un pouvoir solvant réduit,
* elle possède une activité osmotique réduite.

- L'eau cellulaire n'est pas immobile mais percole la cellule.
Toutes les liaisons évoquées ci-dessus sont des liaisons dynamiques dont le turn-over est rapide. Une molécule d'eau engagée dans une liaison électrostatique avec un domaine ionisé d'une molécule reste moins longtemps dans cet état que dans l'eau bulk qu'elle rejoint au bout de quelque temps. L'eau interfaciale peut aussi se déplacer avec les structures cellulaires qu'elle enrobe, et ce, avec des vitesses bien supérieures à celle de la diffusion dans une eau bulk. On peut considérer que les molécules de toute petite taille sont capables de percoler avec l'eau interfaciale. La plupart des macromolécules, qui sont d'ailleurs souvent associées en complexes moléculaires, sont transportées.
Il n'en reste pas moins que ce que l'on nomme l'autodiffusion de l'eau dans la cellule reste un phénomène à explorer ( ce qui a déjà été commencé mais sort du cadre de cette synthèse partielle - voir Mentré,2002, p 103-104 et références) à la lumière de cette nouvelle vision de la cellule vivante.
Le transport de l'eau par les vésicules de pinocytose reste aussi un mode de transport rapide et efficace.

- les transports de molécules, d'ions, de signaux se font d'autant plus rapidement qu'ils sont associés à des structures de transport de grande taille;
par exemple au sein d'un axone on estime la vitesse de diffusion de protéines isolées (de diamètre de l'ordre de quelques nm) inférieure à 0,01 µm.s^-1, alors que avec des protéines transporteuses (de diamètre de l'ordre d'une dizaine de nm) on atteint des vitesses de l'ordre de 0,05 µm.s^-1 et enfin, avec des vésicules (de l'ordre de 100 µm de diamètre) on atteint des vitesses de l'ordre de 0,5 µm.s^-1. Pour chaque ordre de grandeur de taille on gagne un ordre de grandeur en vitesse (in Mentré, 2002, p 91).

- les réactions chimiques du métabolisme se font dans des structures complexes, sans eau libre, ce qui explique des rendements proches de 100%;
la faiblesse des rendements en solution aqueuse peut être due au peu d'accessibilité des substrats; l'excellent rendement pour des enzymes associées en complexe est dû à la diminution du temps de transit d'une enzyme à l'autre; on désigne ce mécanisme d'association par le terme de canalisation (chanelling) ou d'une façon plus générale de compartimentation métabolique qui exprime l'idée d'association des enzymes impliquées dans une même chaîne métabolique .
La compartimentation métabolique est donc une notion qu'il faut étendre à la totalité de la cellule, en relativisant la notion de membrane et des canaux ou transporteurs qui lui étaient associés. Un compartiment métabolique peut très bien se répartir à la fois dans un organite, le long d'une membrane et à l'extérieur de celle-ci.
L'eau structurée pourrait servir de réseau de coordination des signaux intracellulaires au sein de laquelle les transports seraient nettement plus rapide que dans une eau libre; des résultats assez convaincants ont déjà été obtenus avec des mouvements de protons qui transmettent des signaux extérieurs en signaux intracellulaires.

- les concentrations in vivo sont trop faibles pour obéir aux lois de la chimie des solutions: la notion de gradient de concentration perd tout sens dans une cellule:
on estime qu'une bactérie comme Echerichia coli ne contient qu'une centaine de protons qui sont éloignés les uns des autres de plusieurs centaines de nm et donc ne peuvent être responsables d'un gradient de concentration. De même pour les ions calcium que l'on estime à une concentration cellulaire de 10^-3M dont 10^-8M à 10^-6 libres (non complexé par des macromolécules comme la calmoduline...) mais solvaté (entouré par des molécules d'eau).

Dans une bactérie comme Escherichia coli que l'on peut estimer parallélipipédique (de volume V=2.1.1 µm3 = 2.10-15 L), une concentration de 10-6M correspond à un nombre de molécules de calcium n = N (nombre d'Avogadro). 10-6. V soit n = 6.1023.10-6.2.10-15 molécules = 1200 molécules. De la même façon, une concentration de 10-8M correspond à un nombre de molécules de calcium n = N (nombre d'Avogadro)x 10-8. V molécules soit n = 6.1023.10-6.2.10-15 molécules = 12 molécules. En supposant chaque molécule au centre d'un cube de côté "a", la distance entre deux molécules est très approximativement égale à "a" soit RACINE CUBIQUE [(V/n)]. On trouve 0,1 µm pour la concentration de 10-6M et 0,6 µm pour la concentration de 10-8M. Pour une cellule supposée sphérique, on a les mêmes ordres de grandeur.

Comment imaginer qu'une dizaine d'ions ou même quelques milliers d'ions, séparés par de très nombreuses macromolécules puissent déterminer un gradient de concentration à de telles distances ! Quand aux compartiments membranaires habituellement invoqués pour présenter une concentration homogène, leur taille étant de l'ordre de la centaine de nanomètre (épaisseur d'une citerne golgienne ou du réticulum endoplasmique) au micromètre (mitochondrie), ils ne peuvent non plus contenir plus de quelques unités à dizaines d'unités de ces ions, bien incapables donc de déterminer un gradient de concentration. Cette remarque d'une part remet en cause probablement la mesure des concentrations aussi faibles que celles présentées et d'autre part oblige à considérer que les molécules sont avant tout liées à d'autres molécules dans la cellule et que l'eau ne joue que très rarement, le rôle de solvant.

Les concentrations extrêmement faibles estimées pour le vivant conduisent à des interprétations trompeuses si l'on pense que le compartiment cellulaire bactérien, par exemple, est un milieu homogène où la chimie des solutions en milieu aqueux pourrait s'appliquer. Ainsi une concentration en calcium d'une nanomole correspond à environ 12 ions calcium dans le cytoplasme. Avec des chiffres aussi petits il est indispensable d'envisager une chimie des milieux hétérogènes pour le cytoplasme dont une représentation très imagée est proposée. On reconnaîtra la membrane plasmique (en orange) avec des protéines membranaires (en jaune) , des ribosomes (en gris) et des éléments du cytosquelette (en violet). Le calcium libre est très probablement séquestré dans des microdomaines très localisés (en bleu foncé) dans lesquels on peut peut-être utiliser une chimie statistique avec par exemple la loi d'action de masses, mais il est incohérent de l'appliquer à l'ensemble du compartiment cellulaire.

- les propriétés physiques du cytoplasme, sont hétérogènes et très variables selon les types cellulaires, ce qui peut notamment être expliqué par les différentes formes de l'eau au sein de ce cytoplasme:
le hyaloplasme ne formerait pas une entité homogène au comportement physique identique sauf dans quelques cellules très spécialisées comme les hématies dont la compartimentation est réduite à un quasi-unique compartiment, monofonctionnel. L'immense vacuole des cellules végétales peut aussi constituer un bon exemple de compartiment d'une telle homogénéité. La pression osmotique par exemple est un facteur que l'on ne peut probablement étendre à l'ensemble du compartiment cellulaire que dans ces cas exceptionnels. Il est bien plus probable que la quasi-totalité des cellules présentent plutôt une organisation en microdomaines où la pression osmotique est un facteur qui dépend des conditions locales principalement.
Une des théories les plus séduisantes sur l'organisation de l'eau cellulaire est la théorie de Watterson (1982,1991); la tension existant dans un volume d'eau est reliée par l'auteur aux mouvements vibratoires des molécules qui seraient dus aux phénomènes de coopérativité (résonance) observés entre les molécules d'eau reliées par des liaisons hydrogène. Il a ainsi mesuré que le cytoplasme serait organisé en domaines (clusters) d'environ 40 nm³ dont le diamètre correspond à la longueur d'onde vibrationnelle, voisine de 3,4 nm, les nœuds étant situés aux points où la tension est la plus faible. Chaque cluster contiendrait environ 1300 à 1400 molécules d'eau (pour un poids moléculaire de 24kDa). Un point essentiel d'application de cette théorie est que la plupart des protéines intracellulaires ont des dimensions qui correspondent précisément à un cluster: 40 nm³ pour un nombre de résidus compris entre 120 et 300 et un diamètre moyen de 3,5 nm. Ces clusters ne seraient pas des structures rigides mais dynamiques, très sensibles aux éléments introduits; les protéines polymériques par exemple, d'une taille supérieure à un cluster, modifiant la résonance de l'ensemble. Watterson propose de relier la stabilité de la matrice hyaloplasmique à l'harmonie vibratoire des domaines d'eau et de macromolécules entourées d'eau. La cohérence résultant alors non pas de forces de liaison mais de mouvements vibratoires résonnants, sensibles aux perturbations (et permettant ainsi de transférer extrêmement rapidement un signal (modification de la longueur d'onde...) d'un point à un autre) mais résistants grâce à leur souplesse.

- l'eau n'est donc plus seulement constitutive du vivant (matière vivante, milieu de vie) mais ses rôles se découvrent aussi énergétiques (mécaniques, chimiques...) et relationnels.
On n'a encore que quelques rares éclairages sur ces nouveaux rôles de l'eau qui n'est plus essentiellement un solvant mais une interface (détails in Mentré, 2002, p 94-101). C'est un renversement complet de la compréhension de l'eau qui tient désormais un rôle actif:

• la première couche d'eau interfaciale (eau liée) semble joue le rôle d'élément de contrôle principal, du fait notamment de sa forte coopérativité (elle est plus difficilement perturbable); la seconde couche étant surtout un réservoir. Mais les échanges entre ces deux couches (mécanisme appelé micro-osmose) sont eux-mêmes un élément essentiel du pouvoir régulateur de l'eau structurée en général.
• l'eau interfaciale, par ses liaisons multiples avec des domaines variés des complexes moléculaires contrôle leur assemblage-désassemblage et leur fonctionnement.
  L'eau impliquée dans les assemblages des complexes macromoléculaires, par exemple avec les liaisons hydrogène établies avec les domaines polaires, interviendrait aussi pour orienter ces assemblages et participerait à la dynamique de leur assemblage-désassemblage. De la même manière, l'eau interfaciale semble intervenir directement dans le contrôle de l'activité de molécules fonctionnelles comme par exemple les enzymes. Récemment on a attribué la transition allostérique (avec changement de conformation et coopération entre les 4 sous-unités protéiques) entre la molécule d'hémoglobine désoxygénées (Hb) et la molécule oxygénée (HbO8) à la liaison de 60 molécules d'eau à la molécule d'Hb, cette eau provenant essentiellement de domaines ice-like de l'eau interfaciale associés à des domaines hydrophobes de la molécule d'Hb. L'eau est directement impliqué dans de nombreux autres processus que l'on découvre petit à petit: réactions allostériques, dénaturation des protéines, assemblage des microtubules, dénaturation de l'ADN... , notamment à travers le processus de compensation enthalpie-entropie qui manifeste thermodynamiquement la structuration-déstructuration de l'eau (voir références in Mentré 2002, p 97).
  On peut aussi citer les nombreuses enzymes activées spécifiquement par le potassium et non par le sodium. Le contrôle de l'activité de ces enzymes serait directement due à l'eau interfaciale. En effet, le site catalytique des enzymes est généralement hydrophile mais situé la plupart du temps au fond d'une poche hydrophobe. Quand le substrat se lie au site de l'enzyme le caractère hydrophobe de la poche s'accentue ce qui tend à structurer davantage l'eau (ice-like). Cette structure à la propriété d'exclure fortement le Na+ mais non le K+ (voir deux paragraphes plus loin, l'utilisation de la série de Hofmeister). Les ions K+ entrent alors dans la poche et déstructurent l'eau (état vapor-like) qui augmente de volume. Cette effet mécanique entraînerait l'ouverture de la poche et la libération du produit de la réaction enzymatique (in Mentré, 2002, p 96, §3.2.2).
• l'eau interfaciale, comme son nom l'indique, contrôle, par sa position, les mécanismes informationnels supposant une reconnaissance moléculaire (topologique).
  Un exemple démonstratif est ce l'on nomme l'effet star: le pourcentage de coupures non canoniques (erronées) réalisées par une enzyme de restriction (EcoR1, dont la séquence canonique est AATT) augmente linéairement avec la pression osmotique. Les auteurs de cette expérience l'interprètent comme la nécessité de l'expulsion de l'eau interfaciale du domaine de liaison enzyme-ADN. Aux fortes pressions hydrostatiques l'eau interfaciale est stabilisée, la reconnaissance ne peut se faire et toute activité de coupure enzymatique est bloquée. On peut extraire une partie de l'eau d'hydratation en augmentant la pression osmotique, dans ce cas on favorise la reconnaissance et la liaison enzyme-ADN et donc la coupure de celui-ci, même pour des sites non canoniques.
• les chaînes de molécules d'eau, à la surface de macromolécules où reliant des molécules entre elles, présentent, comme dans la glace (mais avec une mobilité réduite cependant), une conductivité protonique efficace qui pourrait emprunter les circuits de conduction de l'eau interfaciale formant, selon l'expression de R. Peters un réseau subtil coordinateur.
  Conduction protonique
  ou
  "transfert" d'un proton le long d'une chaîne de molécules d'eau liées par des liaisons hydrogènes (d'après P. Mentré, 1995 et 2000)
  Si le phénomène n'est guère contesté, ce modèle n'est cependant pas encore admis de façon unanime.
  Dans ce modèle, il n'y a pas vraiment de déplacement du proton mais liaison covalente d'un proton en début de chaîne, transfert de liaisons covalente et électrostatique tout le long de la chaîne et libération d'un proton en fin de chaîne par rupture de liaison covalente. En terme de bilan il y a changement d'orientation de la chaîne de molécules d'eau à la suite du "transfert" d'un proton.

  Cette conductivité est actuellement une piste majeure de recherche en biochimie, notamment dans l'activité enzymatique (les molécules d'eau de la surface des enzymes, réunies en chaînes conductrices de protons à partir d'un certain seuil d'hydratation, seraient responsables, même sans aucune déformation de la molécule enzymatique, des changements d'activité) ou dans le couplage entre pompes et canaux (le transfert de protons associé au fonctionnement d'enzymes hydrolysant l'ATP pourraient être à l'origine non pas d'un gradient d'H+ mais de courants protoniques microlocalisés qui donneraient un autre sens à la théorie dite chimioosmotique...) ou encore dans le transfert de signaux ioniques (la transduction du signal calcium souvent présentée comme le résultat d'une cascade de réactions de phosphorylations-déphosphorylations le long d'une chaîne de kinases et de phosphatases, pourrait aussi résulter de l'enchaînement de proche en proche d'oscillations de molécules chélatrices entre un état où le calcium est masqué et un état où le calcium est libéré: la propagation du signal se faisant alors sans déplacement de calcium; des courants protoniques entre chaînes de molécules d'eau interfaciales le long d'une chaîne de macromolécules, pourraient aussi intervenir; on connaît ainsi une "onde" protonique qui semble suivre l'onde calcium en décrivant des cercles concentriques autour du point de contact du spermatozoïde avec l'ovocyte d'amphibien lors de la fécondation).

• l'eau interfaciale, de par ses propriétés physiques, peut contrôler la composition chimique de la cellule: c'est par exemple l'exclusion sélective des ions.
  L'eau interfaciale, polarisée, exclue d'autant plus fortement les ions qu'ils génèrent un champ électrique élevé (selon la série de Hofmeister). Donc à taille égale ce sont les plus chargés qui sont les plus exclus et à charge égale, ce sont les plus petits qui sont les plus exclus.

  poids atomique croissant >>>>>>> et / ou charge électrique décroissante <<<<<<<<<<<< diamètre décroissant à l'état hydraté <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

  Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba 2+ < < Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+

  citrate3- < tartrate2- < SO42- < < Cl- < NO3- < ClO3- < I- < SCN-

  ions cosmotropes (du grec cosmos = ordre - structurent l'eau; en anglais kosmotropes) de gros diamètre - solvatés - rendent l'eau interfaciale encore plus structurée plus exclus de la cellule ions chaotropes (du grec chaos = désordre - déstructurent l'eau; en anglais chaotropes) de petit diamètre - peu solvatés - solubles dans l'eau interfaciale qu'ils déstructurent moins exclus de la cellule

  Série de Hofmeister : cations et anions

  Les ions chaotropes, à la différence des ions cosmotropes circulent facilement dans les couches d'eau qu'ils déstructurent. C'est une raison avancée pour expliquer que le potassium, contrairement au sodium n'est pas exclu de la cellule. Certains auteurs estiment que la plus forte concentration en potassium du hyaloplasme par rapport au sodium est une conséquence directe du pouvoir solvant sélectif de l'eau interfaciale et non le résultat d'une activité membranaire. On a même montré expérimentalement que des cellules, dont les membranes ont été perméabilisées par des détergents, et placées dans des milieux riches en sodium, calcium et magnésium, ne s'enrichissaient pas notablement en ces ions (alors que leur concentration ionique est faible pour ces ions). Par contre, ces cellules à membrane perméabilisée, placées dans un milieu riche en potassium (mais moins riche que la cellule), perdent rapidement leur potassium.

• les déplacements d'eau depuis la seconde couche d'hydratation vers la première couche d'eau liée (mécanisme de micro-osmose) s'accompagnent de changements de densité, donc de volume, et induisent alors des effets mécaniques.
  Le rôle de ces changements de densité dans les moteurs moléculaires a fait l'objet de nombreuses recherches. On a notamment proposé (voir références d'Oplatka, in Mentré, 2002 p 100-101) l'existence de minijets d'eau à l'interface des molécules d'actine et de myosine associées dans les myofilaments des cellules musculaires. Le glissement relatif entre les myofilaments serait du à la force mécanique de l'eau déstructurée projetée sous forme de minijets, ce qui a fait comparer le mécanisme de la contraction musculaire ainsi revisité à un moteur alternatif à vapeur.
  Le flagelle bactérien en rotation rapide (40 à 60 tours par seconde) et l'ATPsynthase, fonctionneraient de même comme des turbines à eau. Des minijets seraient dirigés sur des minirotors et les feraient tourner.
  Les effets mécaniques des changements de densité de l'eau structurée pourraient aussi rendre compte de la transduction de signaux notamment depuis la membrane jusqu'aux structures internes de la cellule par le biais du cytosquelette. Une déformation de la membrane cellulaire peut modifier par contrainte mécanique la structure de l'eau structurée au voisinage de cette membrane. Cette modification pourrait ensuite se transmettre, mécaniquement, de proche en proche, au sein de l'eau d'hydratation des éléments du cytosquelette que l'on sait se polymériser/dépolymériser à grande vitesse. On a ainsi mis récemment en évidence que 10 à 12 molécules d'eau s'associent à la molécule d'actine au cours de son étape de polymérisation.
  Remarque personnelle 1:
  Cette sensibilité de l'eau structurée située dans le cytoplasme cortical de la cellule à des stimuli mécaniques, et surtout sa capacité à transmettre ce signal mécanique le long du cytosquelette puis finalement à réaliser la transduction du signal mécanique en un signal chimique par le biais de la micro-osmose (un changement de pression et donc de densité de l'eau interfaciale peut induire la stabilisation d'éléments chimiques cosmotropes ou l'exclusion d'éléments chaotropes... voir paragraphe ci-dessus), pourrait rendre compte de la sensibilité de nombreuses cellules nerveuses, plus ou moins modifiées, à la pression (que l'on nomme barorécepteurs).
  Remarque personnelle 2:
  Cette approche des systèmes protéiques motiles à base d'actine dont le mécanisme de contraction serait intimement lié aux propriétés mécaniques de l'eau structurée semble être une piste prometteuse de recherche. L'actine est l'élément motile essentiel du cytoplasme cortical qui est le siège de la cytocinèse (division du cytoplasme) pour toute cellule eucaryote (voir ci-dessous). Le rôle du cytosquelette cortical n'est pas non plus à négliger dans la contraction musculaire d'une fibre striée (les microphotographies avec coloration des filaments d'actine montrent un réseau extrêmement riche dans ces cellules, en plus de myofilaments classiquement présentés. C'est encore l'actine qui peut être à l'origine de la sensibilité à la pression d'une villosité, si on invoque ce mécanisme de couplage avec l'eau structurée.

- paradoxalement, l'eau de la cellule vivante surpeuplée de macromolécules devient rare, utilisée de façon compétitive par les macromolécules, son accessibilité contrôlant les activités des biomolécules.
Un excès d'eau impliquerait un désordre par manque de structuration. Un (léger) déficit d'eau entretient la possibilité d'un contrôle par facteur limitant. Pour étudier cette hypothèse P. Mentré et G. Hui Bon Hoa ont étudié des biomolécules sous haute pression hydrostatique (HPH), facteur connu pour favoriser une forte hydratation de ces molécules et donc une configuration qui maximise l'eau interfaciale, plus dense (d'après la loi de Le Chatelier). Les résultats obtenus sur des cellules eucaryotes - qui semblent pouvoir supporter sans problème des pressions atteignant 1000 à 1200 bars (soit 100 à 120 MPa) pendant une dizaine de minutes - sont époustouflants : cytosquelette, complexes antigène-anticorps, ADN-facteurs, etc., se dissocient sous des HP de quelques dizaines de MPa et cet effet est réversible. Le contrôle des assemblages biomoléculaires par l'eau est en voie d'exploration.

2ème barrière entrouverte: l'unité fonctionnelle cellulaire ne vient pas d'une chimie du hasard (les lois probabilistes des milieux homogènes) mais d'une biochimie qui pourrait être fondée sur la finalité:
la vie cellulaire est un travail orienté vers une fin biologique.

Ces éléments sont inspirés du chapitre 12 (L'eau, une interface hétérogène et dynamique des macromolécules) du livre de P. Mentré (L'eau dans la cellule, Pascale Mentré, 1995, Masson) mais la formulation et le développement des idées déforment peut-être la pensée de cet auteur auquel je renvoie.

La vision de la cellule vivante, abordée à partir de la question de l'eau, telle qu'elle est présentée ci-dessus, peut déboucher sur une autre compréhension du métabolisme cellulaire que l'on pourrait qualifier de finaliste - au sens de téléologique (voir au sujet de ces termes la discussion dans le cours de terminale) - par opposition à la vision statistique de la biochimie classique.

Vivre = une chimie ou un travail ? Vu de très loin, avec une résolution inférieure à la distance entre les éléments d'un système macromoléculaire (que l'on pourrait chiffrer à quelques dizaines ou centaines de nanomètres) le cytosol est homogène chimiquement. Mais si l'on s'approche des éléments moléculaires (à une distance inférieure à la dizaine de nanomètres) l'hétérogénéité saute aux yeux et il semble nécessaire de changer de modèle. Prenons l'exemple d'un système métabolique (ou chaîne métabolique) théorique où un substrat est transformé en un produit. Approchons-nous du système au-delà de la résolution du microscope et intéressons-nous aux molécules qui le composent: en voici deux représentations:
modèle "soupe*" chaîne métabolique statistique			modèle "machinerie haute technologie*" chaîne métabolique finaliste
* termes empruntés à P. Mentré: Organization and properties of water in cell system, in Integrated Plant Systems, H. Greppin et al., eds., 2000, University of Geneva, pp 3-22
substrat ---->	système métabolique statistiquement homogène compris comme - un ensemble statistiquement déterminé de molécules en solution aqueuse (non dénombrables) dont le comportement dépend des: - concentrations (et donc d'une répartition supposée statistiquement homogène) des espèces en solution et de - réactions à l'équilibre (et donc une vitesse moyenne (statistique) de réaction dépendant des paramètres physiques et des concentrations...).	---> produit	substrat ----->	système métabolique hétérogène composé de: - molécules dénombrables (tant de molécules de telle enzyme, tant de molécules de telle autre enzyme) et donc considérées comme des molécules individuelles, à un emplacement donné (environnement particulier), avec une fonction donnée et des paramètres individuels (qui peuvent varier selon les molécules) - ayant un mobile commun déterminé par UN SEUL CHEMIN possible (ou quelques-uns) pour aller du point d'entrée au point de sortie ("mobile" au sens étymologique (mécanique) de rouage pris ici selon son sens analogique dérivé de fin).	---> produit
Un système contenant un très grand nombre de molécules (le nombre d'exemplaires de chacune des trois espèces moléculaires est bien inférieur sur ce schéma simpliste à ce qu'il devrait être pour que le modèle statistique soit valide étant donné qu'il nécessite la diffusion aléatoire des molécules entre les éléments du système). Les molécules appartiennent à 3 espèces chimiques (1,2 et 3 (en bleu)) en solution (homogène). Un substrat S donne par réaction métabolique un produit P. Deux chemins sont représentés qui passe successivement par les 3 espèces moléculaires: le chemin le plus court (en pointillés) et un des chemins les plus longs.			Trois espèces chimiques (1, 2 et 3 (en bleu)) groupées en un système hétérogène à 4+4+8 éléments. Le substrat S est métabolisé en un produit P. Remarque: il faut bien noter ce que cette présentation a de nouveau, ce qui n'est peut-être pas si clair en regardant ce schéma simpliste. En effet, les complexes métaboliques sont connus depuis fort longtemps mais on s'était contenté, à ma connaissance, de signaler qu'ils augmentaient les vitesses et les rendements des réactions métaboliques. Dans une vision individualiste et finaliste le chemin métabolique est une conséquence structurale et fonctionnelle de ces assemblages que l'on peut décrire non plus en terme d'ordre mais de fin (but): tel système pour telle fonction. Cette démarche était déjà employée pour des assemblages moléculaires comme un ribosome ou une molécule d'hémoglobine (HbO8), notamment lorsque l'on parlait d'autonomie ou d'autoassemblage en renvoyant implicitement à un moteur chimique; il s'agit ici de l'étendre à TOUTES les structures du vivant.

La finalité peut rebuter quelques-uns des lecteurs qui peuvent par exemple préférer parler tout simplement de fonction. Le terme de fonction a probablement une origine biologique et sociologique (cette idée n'a été soutenue que tardivement par René Thom; voir Analyse sémantique d'un mot polysémique: la fonction, 1993, Séminaires de la Société de Biologie Théorique, année 1992-1993, Acta Biotheoretica, 42 ), puis qui a été formalisée en mathématique (dans le plan, la fonction (numérique) d'une variable (x) est représentée par un graphe y=f (x); en mathématique la représentation d'une relation de quantité (avec des variables numériques) ou de qualité entre deux ensembles d'objets est défini par le terme moderne d'application (Fréchet, 1909)) , et enfin est retournée dans le domaine social et dans celui de la biologie. Voir aussi l'extrait de Paraboles et catastrophes de René Thom dans le cours de 1èreS. Mais pour un système vivant on ne peut pas parler de fonction, au sens strictement biologique, au niveau local (fonction alcool ou déshydrogénase...). Il est préférable de garder le terme de fonction pour des phénomènes physiologiques globaux comme l'homéostasie par exemple (voir cours de 1èresS).

En août 2005, à l'aide du travail de René Thom, il m'apparaît clairement que la différence fondamentale entre ces deux modèles repose sur le contraste entre un ensemble discret de molécules (dont on cherche à comprendre les interactions par le biais d'une analyse statistique) et une fonction biologique continue (qui ne peut donc être issue des éléments discrets et dont l'origine doit se trouver ailleurs). Pour des détails voir une page en travaux sur le continu en SVT.

à suivre...