LIAISONS CHIMIQUESLiaisons biochimiques faibles

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Nature qualitative des liaisons faibles

Dans la description atomique, discontinue, de la matière, les chimistes se fondent sur les propriétés électromagnétiques des atomes pour en décrire les interactions. À la température ordinaire (300 K), les atomes peuvent ainsi s'associer par des liaisons stables, dites covalentes, dans lesquelles des électrons occupent des positions moyennes vis-à-vis des noyaux de plusieurs atomes différents. L'énergie d'association qui correspondrait à la rupture de ces liaisons est souvent élevée en regard de l'énergie d'agitation thermique (c'est-à-dire très supérieurs à 3/2 kT où k est la constante de Boltzmann et T la température absolue). Mais cette description en termes électromagnétiques fait apparaître, du fait de l'inhomogénéité de la distribution des charges dans l'espace (positive au voisinage des noyaux, négative là où se trouvent les électrons), de nouvelles interactions qui, quoique beaucoup plus faibles, sont toutefois souvent de l'ordre de l'énergie d'agitation thermique. Dans les macromolécules, formées de milliers d'atomes, on conçoit donc que l'addition d'un grand nombre d'interactions, même faibles, puisse apporter une contribution non négligeable à la structure de la molécule. On peut aisément classer ces liaisons en fonction des processus électromagnétiques qui les créent, en suivant l'ordre décroissant des énergies mises en jeu.

Liaison ionique

Un atome ou une molécule peuvent, en fonction des conditions où ils se trouvent placés, perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Ils constituent alors des ions – cation chargé positivement, anion chargé négativement, amphotère (zwitter ion) chargé à la fois positivement et négativement – qui interagissent avec une force proportionnelle à la charge de chacun des ions et inversement proportionnelle au carré de la distance. Il se crée ainsi au voisinage d'un ion un potentiel électrostatique qui varie comme l'inverse de la distance et qui est d'autant plus faible que le milieu a une constante diélectrique plus élevée. Comme l'eau a précisément une constante diélectrique élevée, les interactions ioniques ne jouent le plus souvent que sur une distance faible de l'ordre de quelques dixièmes de nanomètre (les dimensions des atomes sont du même ordre). Mais nombre d'édifices macromoléculaires (membranes biologiques, ribosomes, complexes multi-enzymatiques) sont peu accessibles à l'eau sur des distances importantes, ce qui entraîne une influence beaucoup plus considérable du potentiel électrostatique. Par ailleurs, des molécules fondamentales comme les acides nucléiques (ADN et ARN) sont des polyanions, dans lesquels des charges négatives régulièrement réparties créent un potentiel électrostatique dont la contribution est primordiale. En effet, au voisinage de ces molécules, des cations (K+, Mg2+, polyamines...) viennent compenser les charges négatives, ce qui permet une régulation fine des processus mettant en cause ces molécules grâce à la concentration des cations. Quand on sait que ADN et ARN sont impliqués profondément dans le fonctionnement général et la reproduction des cellules vivantes, il apparaît bien que l'étude, qui ne fait que commencer, de la contribution du potentiel électrostatique déployé par ces molécules sera riche d'enseignements.

Structure de l'eau

Dessin : Structure de l'eau

Structure de l'eau : a, dissymétrie de la molécule ; b, réseau tridimensionnel dissociable comme le montre le détail de gauche en libérant des ions : OH+3 est le proton hydraté (hydronium des solutions aqueuses, oxonium dans les autres cas), OH- est l'anion... 

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Les interactions ioniques jouent en outre un rôle dans un grand nombre d'autres phénomènes fondamentaux pour la vie, en particulier dans l'établissement du potentiel électrique qui établit, de part et d'autre, des membranes qui entourent toutes les cellules, un champ électrique responsable de la coordination des activités membranaires, de la perméation sélective des ions et des métabolites et, bien sûr, de la genèse de l'influx nerveux.

Liaison hydrogène

Dans la plupart des macromolécules biologiques, des liaisons hydrogène participent pour une part importante à la structure spatiale obtenue, et elles sont, en particulier, fondamentales dans l'appariement des nucléotides qui constituent les acides nucléiques. Pourtant, leur contribution, qui ne peut se manifester que dans des domaines très étroits de la géométrie relative d'atomes électronégatifs, n'est importante qu'associée à d'autres interactions plus faibles, les interactions dipolaires.

Liaisons dipolaires

On classe sous un tel nom trois familles d'interactions qui, dans l'ordre d'énergie décroissante, sont : ion-dipôle, dipôle-dipôle et dipôle induit-dipôle induit. La molécule d'eau illustre à nouveau très bien ce que sont ces différents modes de liaison. Dans cette molécule existe une forte dissymétrie de la répartition des électrons ; l'atome d'oxygène est entouré de beaucoup plus d'électrons que les atomes d'hydrogène. On trouve donc localement un excès de charges négatives au voisinage des noyaux d'oxygène. Cette disposition forme un dipôle électrique et entraîne que les molécules voisines tendent à s'orienter les unes par rapport aux autres, les charges de signe contraire s'attirant. Ce type de dipôle est un dipôle permanent, puisqu'il dépend de la disposition des atomes dans la molécule, et d'elle seule. Dans une molécule symétrique, au contraire, il n'existe pas de dipôle permanent ; mais la présence de charges électriques à son voisinage entraîne une dissymétrie dans la répartition électronique (à cause de l'attraction et de la répulsion caractéristiques des phénomènes électriques) qui détermine la formation de dipôles temporaires, ou dipôles induits. Ceux-ci sont, évidemment, créateurs d'interactions extrêmement faibles, et l'on obtient ainsi l'ensemble des liaisons suivantes, classées par énergie décroissante.

Molécule d'eau

Dessin : Molécule d'eau

La molécule d'eau, dipôle permanent (en haut) et la liaison ion-dipôle, dans le cas de l'ion potassium (K+) en solution dans l'eau (en bas). 

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Interactions dans les systèmes biologiques

Tableau : Interactions dans les systèmes biologiques

Divers types d'interactions faibles à l'œuvre dans les systèmes biologiques, avec leurs principales caractéristiques énergétiques et géométriques. 

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Ion-dipôle. La charge électrique portée par un ion tend à orienter les dipôles présents à son voisinage. C'est, par exemple, ce qui détermine la solubilité des ions dans l'eau, du fait de la structure de dipôle permanent des molécules d'eau. Ce type d'interaction est très important pour les membranes qui entourent les cellules ; ces membranes sont, en effet, imperméables aux ions, car les molécules dont elles sont constituées sont orientées de telle manière que la contribution énergétique de la liaison ion-dipôle ne peut se faire que vers l'extérieur (la surface membranaire). Pour cette raison, des ions ne peuvent traverser des membranes biologiques que grâce au champ électrique qui s'établit de part et d'autre de la membrane, ou bien, le plus souvent, grâce à des molécules qui jouent le rôle de canal spécifique pour le passage des ions, en permettant précisément la formation, à l'intérieur du canal, de liaisons faibles du type liaison ionique ou liaison ion-dipôle. Ces phénomènes de perméation aux ions (dépendant ou [...]

Molécule d'eau

Dessin : Molécule d'eau

La molécule d'eau, dipôle permanent (en haut) et la liaison ion-dipôle, dans le cas de l'ion potassium (K+) en solution dans l'eau (en bas). 

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Structure de l'eau

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Molécule d'eau

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Interactions dans les systèmes biologiques

Interactions dans les systèmes biologiques
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Interaction entre l'eau et les molécules lipidiques

Interaction entre l'eau et les molécules lipidiques
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Écrit par :

  • : directeur de recherche au C.N.R.S., professeur à l'Institut Pasteur

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Antoine DANCHIN, « LIAISONS CHIMIQUES - Liaisons biochimiques faibles », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/liaisons-chimiques-liaisons-biochimiques-faibles/