[PDF] Limportance de leau dans les systèmes biologiques - 31 mars 2009

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Conférence-débat et controverse

L'IMPORTANCE DE L'EAU DANS LES SYS

TEMES BIOLOGIQUES

Mardi 31 mars 2009 de 14h30 à 17h45

Organisateur Denis LE BIHAN

Membre de l'Académie des sciences

Session 1 N

Se

14 h 30

14 h 55

Ouverture L'eau liquide de la vie

Paul CARO, Correspondant de l'Académie des sciences

14 h 55

15 h 20

Rôle de l'eau d'hydratation dans la dynamique des protéines Marie-Claire BELLISSENT-FUNEL, Laboratoire Léon-

Brillouin, CEA/CNRS, CEA-Saclay

15 h 20

15 h 45

Des molécules hydrophobes dans l'eau

Bernard CABANE, Correspondant de l'Académie des sciences, Laboratoire Physique et Mécanique des Milieux

Hétérogènes (PMMH) / ESPCI, Paris

15 h 45

16 h 10

Eau et membranes biologiques

Giuseppe ZACCAI, Institut Laue Langevin, Grenoble

16 h 10

16 h 35

Rôle et importance de l'eau dans les membranes

cellulaires Mounir TAREK, CNRS UMR 7565, Université Henri

Poincaré, Nancy

16 h 35

17 h 00

L'eau, une molécule-clé pour le vivant : l'eau dans la biodiversité Gilles BOEUF, UMR 7628, Laboratoire Arago, Université

Paris VI/CNRS, Banyuls-sur-mer

17 h 00

17 h 25

Membranes, eau et diffusion : potentiel pour la

neuroimagerie Denis Le BIHAN, Membre de l'Académie des sciences,

NeuroSpin, CEA Saclay et Université de Kyoto

17 h 25

17 h 45 Discussion générale

Académie

des sciences

Grande salle

des séances

Palais de

l'Institut de

France

23, quai de

Conti

75006 Paris

Conférence débat et controverses

L'importance de l'eau dans les systèmes biologiques

Mardi 31 mars 2009

Ouverture

L'eau liquide de la vie

Paul CARO, Correspondant de l'Académie des sciences L'eau possède un certain nombre de propriétés de base qui ont sans doute joué un rôle dans l'apparition et le maintien de la vie. Le diagramme thermodynamique des états de l'eau montre une zone de stabilité du liquide bien adaptée aux conditions de température et de pression à la surface de la Terre. La densité plus faible de la glace implique que celle-ci flotte sur le liquide, un paramètre important pour conserver la vie à travers les fluctuations climatiques. La liaison hydrogène qui caractérise les propriétés chimiques de la molécule est bien adaptée aux liaisons avec les molécules organiques et entre les molécules d'eau elles mêmes. Elle commande les relations hydrophiles et hydrophobes dont le jeu réciproque permet une grande variété de situations chimiques. L'eau, dont la constante diélectrique est élevée, est un solvant pour un grand nombre de sels, mais aussi des gaz comme l'oxygène. En son sein peuvent se produire des réactions chimiques. Les propriétés thermodynamiques mesurées sur l'eau donnent parfois l'impression que l'eau est un liquide " anormal » (par rapport aux liquides formés d'un assemblage de sphères dures). Cette impression est due au fait que de nombreuses propriétés ne montrent pas une évolution linéaire avec la température et la pression en raison de la fluctuation du nombre de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau. La " structure » de l'eau, étudiée par de nombreuses méthodes physiques, fait toujours l'objet de controverses parfois vives.

Par sa capacité de corrosion vis-à-vis des minéraux, l'eau a dû jouer un rôle primordial

dans l'apparition de la vie (formation d'enzymes soufrées notamment). Elle héberge toujours des formes " simples », plus ou moins bien connues, d'êtres " vivants » (comme les virus dans les océans).

Conférence débat et controverses

L'importance de l'eau dans les systèmes biologiques

Mardi 31 mars 2009

Rôle de l'eau d'hydratation dans la dynamique des protéines Marie-Claire BELLISSENT-FUNEL, Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS,

CEA Saclay, Gif-sur-Yvette

L'eau est un liquide unique dont les propriétés sont cruciales pour les processus de la vie. Dans les systèmes vivants, les phénomènes essentiels ont lieu, en géométrie

confinée, dans les cellules vivantes, et à proximité des sites actifs des protéines et des

membranes ou à leur surface. La stabilité des systèmes biologiques est contrôlée par le

jeu subtil entre les interactions hydrophiles et les interactions hydrophobes [1]. Il est admis que l'eau d'hydratation joue un rôle prédominant dans la relation entre la structure, la dynamique et la fonction des systèmes biologiques [2]. Au cours de cette conférence, je rendrai compte des propriétés structurales et de transport de l'eau interfaciale dans des systèmes poreux modèles ainsi que dans des systèmes biologiques. A température ambiante, les propriétés structurales et dynamiques de l'eau, au voisinage d'une surface hydrophile, sont comparables à celles de l'eau surfondue [2]. Enfin, je montrerai, qu'à l'échelle temporelle de la nanoseconde, il existe une corrélation entre la dynamique de l'eau interfaciale et les mouvements internes d'une protéine hydratée comme le lysozyme [3]. [1] M.-C. Bellissent-Funel, Hydrophilic-hydrophobic interplay : from model systems to living systems, C. R. Acad. Sciences, Geoscience, 337, 173-179 (2005) [2] M.-C. Bellissent-Funel (Ed.), Hydration processes in Biology, Nato Science Series

A, 305, IOS Press (1999)

[3] J.-M. Zanotti, G. Gibrat and M.-C. Bellissent-Funel, Hydration water rotational motion as a source of configurational entropy driving protein dynamics. Crossovers at

150 and 220 K, PCCP, 10, 4865-4870 (2008)

Conférence débat et controverses

L'importance de l'eau dans les systèmes biologiques

Mardi 31 mars 2009

Des molécules hydrophobes dans l'eau

Bernard CABANE, Correspondant de l'Académie des sciences, Laboratoire Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH), Ecole Supérieure de

Physique et Chimie Industrielle de Paris (ESPCI)

On appelle "hydrophobes" des molécules dont la solubilité dans l'eau liquide est faible, principalement parce que ces molécules ne participent pas au réseau de liaisons hydrogène de l'eau. Dans cet exposé, j'essaierai de montrer comment la dissolution de molécules apolaires dans l'eau est possible, et comment elle peut se faire sans perte de liaisons hydrogène. Ensuite, je présenterai deux exemples de grandes molécules hydrophobes dont la solubilité dans l'eau est très faible, et qui ont rependant des fonctions biologiques importantes. Le premier exemple concerne des molécules de

médicaments, dont la solubilité est limitée par leur aptitude à cristalliser. Dans ce cas,

on se demande si la production de ces médicaments sous forme de dispersions de nanoparticules, à structure amorphe, permettrait d'augmenter leur biodisponibilité. Le second exemple concerne les tanins qui sont produits par les plantes, et font partie de leur système de défense contre des agresseurs tels que des moisissures ou des herbivores. Dans ce cas, nous cherchons à comprendre comment la présence de protéines riches en proline dans la salive des herbivores et des humains permet d'éviter les effets anti-nutritionnels des tannins.

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L'importance de l'eau dans les systèmes biologiques

Mardi 31 mars 2009

Eau et membranes biologiques

Giuseppe ZACCAI, Institut Laue Langevin, Grenoble

Les propriétés extraordinaires de l'eau liquide permettent aux molécules du vivant de réaliser les structures dynamiques associées à leur fonction et activité biologiques. La diffusion de neutrons constitue une technique de choix pour étudier la structure et la dynamique de l'eau dans tous ses états, ainsi que leurs effets sur les systèmes

biologiques. Pour tester différentes hypothèses sur son état à l'intérieur des cellules, la

dynamique de l'eau a été caractérisée in vivo par cette technique dans des organismes vivant dans des conditions de salinité extrême dans la Mer Morte, dans des cellules bactériennes et dans les globules rouges humaines La membrane pourpre de Halobacterium salinarum (un organisme qui vit dans les lacs salés) est constituée de lipides organisés en bicouche, et d'une protéine appelée bactériorhodopsine parce que, comme la rhodopsine dans les yeux des animaux, elle lie le rétinal, une molécule sensible à la lumière. La bactériorhodopsine se comporte

comme une pompe à protons, activée par la lumière. Elle participe à établir le gradient

de pH de part et d'autre de la membrane, nécessaire à la bioénergétique de l'organisme. Des travaux effectués par diffusion de neutrons sur cette membrane naturelle ont permis de comprendre le rôle de l'eau dans sa structure même, ainsi que le couplage entre la dynamique de l'eau et celle des lipides, d'une part, et la dynamique associée à l'activité de pompe à protons de la bactériorhodopsine, d'autre part.

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L'importance de l'eau dans les systèmes biologiques

Mardi 31 mars 2009

Rôle et importance de l'eau dans les membranes cellulaires Mounir TAREK, Equipe de dynamique des assemblages membranaires, CNRS

UMR 7565, Université Henri Poincaré, Nancy

La cellule biologique est une unité structurale de tout être vivant. Il s'agit d'un compartiment limité par une membrane plasmique constituant la barrière naturelle séparant le cytoplasme du milieu extracellulaire. Cette dernière est formée principalement d'une bicouche lipidique dans laquelle les protéines membranaires sont libres de diffuser et d'accomplir une grande variété de fonctions cellulaires fondamentales. Les membranes ne sont perméables, par diffusion simple, qu'aux petites molécules hydrophobes mais requièrent des protéines membranaires pour réguler les exchanges transmembranaires d'ions (canaux ioniques), d'eau (aquaporines) ou encore de plus grosses molécules (transporteurs)... Nous attirons l'attention dans cet exposé sur le rôle fondamental que joue l'eau située au voisinage de la bicouche lipidique dans plusieurs de ces processus de transport. Nous utilisons pour cela des simulations de dynamique moléculaire qui permettent une caractérisation à l'échelle moléculaire des propriétés structurales et dynamiques des membranes. Nous montrons comment l'eau module ces propriétés. A travers deux exemples concrets, nous décrirons son implication dans le phénomène d'électroporation largement utilisé aujourd'hui en biotechnologie et dans le fonctionnement des canaux ioniques sensibles à la tension, composantes essentielles de l'excitabilité cellulaire.

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L'importance de l'eau dans les systèmes biologiques

Mardi 31 mars 2009

L'eau, une molécule-clé pour le vivant : l'eau dans la biodiversité Gilles BOEUF, Université Pierre et Marie Curie-Paris 6/CNRS, Laboratoire Arago, Banyuls-sur-mer et Muséum National d'Histoire Naturelle, Paris Aujourd'hui, l'eau, essentiellement représentée par les océans, couvre plus de 70 % de la surface de la planète et offre plus de 90 % du volume disponible pour le vivant. Mais cette eau est salée (osmolarité au large de 1050 mOsm.l -1 ) et possède des spécificités strictes et constantes. Un peu moins de 300 000 espèces vivantes ont été décrites du milieu marin ce qui représente environ 13 % du total reconnu de la diversité spécifique de la Terre. L'eau est indispensable pour la Vie et la Vie est apparue dans l'océan ancestral, il y a un peu moins de 4 milliards d'années. Des évènements déterminants s'y sont déroulés, de l'apparition du noyau de la cellule à la capture de micro-organismes devenus par

symbiose les organites et à la pluricellularité (métazoaires). Plus tard, la sexualité s'y

développera aussi, extraordinaire machine à générer de la diversité. Le second évènement

dans le même sens sera la sortie des océans, vers 400 millions d'années pour la vie organisée. Les différences entre vie dans l'eau et dans l'air sont fondamentales pour des raisons physiques comme la densité et la viscosité des fluides, la capacité thermique, le contenu en oxygène... et la présence d'eau à l'extérieur ou non. L'eau est le solvant biologique universel et le contenu en eau des organismes vivants varie entre 4 % pour les formes de résistance à plus de 98 % pour certains groupes aquatiques. Confrontés aux loisquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47

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