par Molly Sargen
chiffres par Daniel Utter

L’eau représente 60 à 75% du poids corporel humain. Une perte de seulement 4% de l’eau corporelle totale entraîne une déshydratation et une perte de 15% peut être fatale. De même, une personne pourrait survivre un mois sans nourriture mais ne survivrait pas 3 jours sans eau. Cette dépendance cruciale à l’eau régit largement toutes les formes de vie. Il est clair que l’eau est vitale pour la survie, mais qu’est-ce qui la rend si nécessaire?

La composition moléculaire de l’eau

De nombreux rôles de l’eau dans le soutien de la vie sont dus à sa structure moléculaire et à quelques propriétés spéciales. L’eau est une molécule simple composée de deux petits atomes d’hydrogène chargés positivement et d’un grand atome d’oxygène chargé négativement. Lorsque les hydrogènes se lient à l’oxygène, il crée une molécule asymétrique avec une charge positive d’un côté et une charge négative de l’autre côté (Figure 1). Ce différentiel de charge est appelé polarité et dicte comment l’eau interagit avec d’autres molécules.

L’eau est le « Solvant universel »

En tant que molécule polaire, l’eau interagit mieux avec d’autres molécules polaires, comme elle-même. Ceci est dû au phénomène dans lequel des charges opposées s’attirent les unes les autres: parce que chaque molécule d’eau individuelle a à la fois une partie négative et une partie positive, chaque côté est attiré par des molécules de la charge opposée. Cette attraction permet à l’eau de former des connexions relativement fortes, appelées liaisons, avec d’autres molécules polaires qui l’entourent, y compris d’autres molécules d’eau. Dans ce cas, l’hydrogène positif d’une molécule d’eau se liera à l’oxygène négatif de la molécule adjacente, dont les propres hydrogènes sont attirés par l’oxygène suivant, et ainsi de suite (figure 1). Fait important, cette liaison fait que les molécules d’eau collent ensemble dans une propriété appelée cohésion. La cohésion des molécules d’eau aide les plantes à absorber l’eau à leurs racines. La cohésion contribue également au point d’ébullition élevé de l’eau, ce qui aide les animaux à réguler la température corporelle.

De plus, comme la plupart des molécules biologiques présentent une certaine asymétrie électrique, elles sont également polaires et les molécules d’eau peuvent former des liaisons avec et entourer leurs régions positives et négatives. En entourant les molécules polaires d’une autre substance, l’eau se fraye un chemin dans tous les coins et recoins entre les molécules, la brisant efficacement et la dissolvant. C’est ce qui se produit lorsque vous mettez des cristaux de sucre dans l’eau: l’eau et le sucre sont polaires, ce qui permet aux molécules d’eau individuelles d’entourer les molécules de sucre individuelles, de briser le sucre et de le dissoudre. Semblable à la polarité, certaines molécules sont constituées d’ions ou de particules chargées de manière opposée. L’eau brise également ces molécules ioniques en interagissant avec les particules chargées positivement et négativement. C’est ce qui se produit lorsque vous mettez du sel dans l’eau, car le sel est composé d’ions sodium et chlorure.

La capacité étendue de l’eau à dissoudre une variété de molécules lui a valu la désignation de « solvant universel », et c’est cette capacité qui fait de l’eau une force vitale inestimable. Au niveau biologique, le rôle de l’eau en tant que solvant aide les cellules à transporter et à utiliser des substances comme l’oxygène ou les nutriments. Les solutions à base d’eau comme le sang aident à transporter les molécules aux endroits nécessaires. Ainsi, le rôle de l’eau en tant que solvant facilite le transport de molécules comme l’oxygène pour la respiration et a un impact majeur sur la capacité des médicaments à atteindre leurs cibles dans le corps.

L’eau soutient la Structure cellulaire

L’eau joue également un rôle structurel important en biologie. Visuellement, l’eau remplit les cellules pour aider à maintenir la forme et la structure (figure 2). L’eau à l’intérieur de nombreuses cellules (y compris celles qui composent le corps humain) crée une pression qui s’oppose aux forces extérieures, semblable à la mise d’air dans un ballon. Cependant, même certaines plantes, qui peuvent maintenir leur structure cellulaire sans eau, ont encore besoin d’eau pour survivre. L’eau permet à tout ce qui se trouve à l’intérieur des cellules d’avoir la bonne forme au niveau moléculaire. La forme étant essentielle aux processus biochimiques, c’est également l’un des rôles les plus importants de l’eau.

L’eau contribue également à la formation des membranes entourant les cellules. Chaque cellule sur Terre est entourée d’une membrane, dont la plupart sont formées de deux couches de molécules appelées phospholipides (Figure 3). Les phospholipides, comme l’eau, ont deux composants distincts: une « tête » polaire et une « queue » non polaire. »Pour cette raison, les têtes polaires interagissent avec l’eau, tandis que les queues non polaires essaient d’éviter l’eau et d’interagir les unes avec les autres. À la recherche de ces interactions favorables, les phospholipides forment spontanément des bicouches avec les têtes tournées vers l’extérieur vers l’eau environnante et les queues tournées vers l’intérieur, à l’exclusion de l’eau. La bicouche entoure les cellules et permet sélectivement à des substances telles que les sels et les nutriments d’entrer et de sortir de la cellule. Les interactions impliquées dans la formation de la membrane sont suffisamment fortes pour que les membranes se forment spontanément et ne soient pas facilement perturbées. Sans eau, les membranes cellulaires manqueraient de structure, et sans structure membranaire appropriée, les cellules seraient incapables de garder des molécules importantes à l’intérieur de la cellule et des molécules nocives à l’extérieur de la cellule.

En plus d’influencer la forme globale des cellules, l’eau a également un impact sur certains composants fondamentaux de chaque cellule: l’ADN et les protéines. Les protéines sont produites sous la forme d’une longue chaîne de blocs de construction appelés acides aminés et doivent se plier dans une forme spécifique pour fonctionner correctement. L’eau entraîne le repliement des chaînes d’acides aminés car différents types d’acides aminés cherchent et évitent d’interagir avec l’eau. Les protéines fournissent une structure, reçoivent des signaux et catalysent des réactions chimiques dans la cellule. De cette façon, les protéines sont les chevaux de bataille des cellules. En fin de compte, les protéines stimulent la contraction des muscles, la communication, la digestion des nutriments et de nombreuses autres fonctions vitales. Sans la forme appropriée, les protéines seraient incapables de remplir ces fonctions et une cellule (encore moins un humain entier) ne pourrait pas survivre. De même, l’ADN doit avoir une forme spécifique pour que ses instructions soient correctement décodées. Les protéines qui lisent ou copient l’ADN ne peuvent lier que l’ADN qui a une forme particulière. Les molécules d’eau entourent l’ADN de manière ordonnée pour soutenir sa conformation caractéristique à double hélice. Sans cette forme, les cellules seraient incapables de suivre les instructions minutieuses codées par l’ADN ou de les transmettre aux cellules futures, rendant la croissance humaine, la reproduction et, en fin de compte, la survie infaisables.

Réactions chimiques de l’eau

L’eau est directement impliquée dans de nombreuses réactions chimiques pour construire et décomposer des composants importants de la cellule. La photosynthèse, le processus chez les plantes qui crée des sucres pour toutes les formes de vie, nécessite de l’eau. L’eau participe également à la construction de molécules plus grosses dans les cellules. Les molécules comme l’ADN et les protéines sont constituées d’unités répétitives de molécules plus petites. L’assemblage de ces petites molécules se produit par une réaction qui produit de l’eau. Inversement, l’eau est nécessaire à la réaction inverse qui décompose ces molécules, permettant aux cellules d’obtenir des nutriments ou de réutiliser des morceaux de grosses molécules.

De plus, l’eau protège les cellules des effets dangereux des acides et des bases. Les substances très acides ou basiques, comme l’eau de Javel ou l’acide chlorhydrique, sont corrosives même pour les matériaux les plus durables. En effet, les acides et les bases libèrent des hydrogènes en excès ou absorbent respectivement les hydrogènes en excès des matériaux environnants. Perdre ou gagner des hydrogènes chargés positivement perturbe la structure des molécules. Comme nous l’avons appris, les protéines ont besoin d’une structure spécifique pour fonctionner correctement, il est donc important de les protéger des acides et des bases. Pour ce faire, l’eau agit à la fois comme un acide et comme une base (figure 4). Bien que les liaisons chimiques au sein d’une molécule d’eau soient très stables, il est possible qu’une molécule d’eau abandonne un hydrogène et devienne OH–, agissant ainsi comme une base, ou accepte un autre hydrogène et devienne H3O +, agissant ainsi comme un acide. Cette adaptabilité permet à l’eau de lutter contre les changements drastiques de pH dus à des substances acides ou basiques dans le corps dans un processus appelé tampon. En fin de compte, cela protège les protéines et autres molécules dans la cellule.

En conclusion, l’eau est vitale pour toute vie. Sa polyvalence et son adaptabilité aident à effectuer des réactions chimiques importantes. Sa structure moléculaire simple aide à maintenir des formes importantes pour les composants internes et la membrane externe des cellules. Aucune autre molécule ne correspond à l’eau en ce qui concerne les propriétés uniques qui soutiennent la vie. De manière passionnante, les chercheurs continuent d’établir de nouvelles propriétés de l’eau telles que des effets supplémentaires de sa structure asymétrique. Les scientifiques n’ont pas encore déterminé les impacts physiologiques de ces propriétés. Il est étonnant de voir à quel point une molécule simple est universellement importante pour des organismes ayant des besoins divers.

Molly Sargen est doctorante en première année dans le programme de sciences Biologiques et biomédicales de la Harvard Medical School.

Dan Utter est un doctorant de cinquième année en Biologie Organismique et évolutive à l’Université Harvard.

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Cet article fait partie de notre édition spéciale sur l’eau. Pour en savoir plus, consultez notre page d’accueil de l’édition spéciale!