Le corps humain est tout à fait capable de comburer l’eau

La ‘combustion' de l'eau constitue un mode de vie pour tous les organismes vivants, pour les animaux comme pour les plantes, avec peut-être un petit peu d'aide de la lumière solaire, selon le Dr. Mae-Wan Ho

Les organismes vivants, comme les animaux et les êtres humains, peuvent-ils 'brûler' de l'eau? La combustion ou oxydation de l'eau, c'est ce que les plantes vertes réalisent avec la plus grande facilité. Elle dépend de l'absorption de l'énergie des photons à partir de la lumière du soleil pour faire en sorte que l'eau donne des électrons. Une grande partie des efforts actuels est notamment consacrée à la photosynthèse artificielle [1] ] ( Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis , SiS 43), mais l'oxydation de l'eau (H₂O) en l'oxygène (O₂) n'est effectivement que la moitié de la réaction : l'autre moitié réside dans la production d'hydrogène (H₂) qui peut s'enflammer comme un combustible ou un carburant.

Mais d'autres organismes, tels que les animaux et les êtres humains, peuvent-ils en faire autant ? Pas de cette manière, mais ils 'brûlent' toutefois cette même eau. They oxidize water, not to get energy as much as to create exquisitely targeted local weapons for killing bacteria and other microbes. Ils oxydent l'eau, pas seulement pour obtenir de l'énergie, mais aussi pour créer des sortes d'armes locales dirigées pour tuer des bactéries et autres microbes.

(La récente découverte selon laquelle l'eau dans les cellules et les tissus des organismes vivants peut être chargée par une exposition à la lumière infrarouge, suggèrent que les animaux peuvent aussi dépendre de la lumière du soleil pour s'énergiser eux-mêmes [2] (Water Electric, SiS 43). Je me suis souvent demandé pourquoi je me sens tellement énergique après un bain de soleil.)

Les anticorps qui "brûlent" de l'eau

Il y a quelques années, une équipe de chercheurs californiens a découvert la surprenante capacité des anticorps produits par le système immunitaire , afin de créer des produits chimiques hautement réactifs, que les cellules peuvent utiliser pour se purifier et pour empoisonner leurs envahisseurs, par combustion ou oxydation de l'eau.

Les chimistes Richard Lerner et Paul Wentworth, de l'Institut de recherche Scripps, à La Jolla aux Etats-Unis, sont tombés sur ce nouveau rôle des anticorps par accident [3]. Ils ont trouvé des anticorps générateurs d'H₂O₂(peroxyde d'hydrogène) en cas d'exposition à la lumière UV. Ils ont testé de nombreux autres anticorps et le résultat a été le même à chaque fois. Les anticorps génèrent H₂O₂à partir de l'oxygène singulet ( ¹O₂ ), une forme énergique et très réactive de la molécule d'oxygène produite quand une source d'énergie, telle que la lumière UV, excite l'oxygène ordinaire triplet (³O₂) , catalysé par l'anticorps.

L'oxygène singulet et le peroxyde d'hydrogène appartiennent à une classe de molécules appelées espèces réactives de l'oxygène (ERO, ou ROS en anglais) qui ont fait l'objet de beaucoup d'efforts de recherche au cours des dernières années (voir encadré).

La différence d'énergie entre l'oxygène triplet et l'oxygène singulet est d'environ 1 eV, bien au-dessous de l'énergie d'un photon d'UV absorbé par les protéines, qui peut ensuite être transféré à l'oxygène triplet. Mais d'où proviennent les électrons pour réduire l'oxygène singulet en H₂O₂?

Dans un premier temps, les chercheurs ont pensé que la réaction assurait la combustion [l'oxydation] de la protéine elle-même, pour produire H₂O₂ , mais beaucoup trop de H₂O₂ a été produit pour que cela soit le cas.

La production de H₂O₂ par les anticorps a été maintenue pendant de longues périodes sous lumière UV, en restant linéaire jusqu'à plus de 40 moles équivalent de H₂O₂. Lorsque l' H₂O₂ est supprimé, les anticorps reprennent la production d' H₂O₂ aux mêmes taux initiaux, et cette production est restée pratiquement inchangée, même après 10 cycles d'irradiation UV, suivie par l'enlèvement de l' H₂O₂ [4].

Après l'élimination d'autres sources pour le peroxyde d'hydrogène, tels que des ions Cl - et des ions métalliques, l'équipe a eu l'idée que l'oxygène singulet pouvait réagir avec ou ‘brûler' l'eau pour donner H₂O₂. En présence d'oxygène singulet, l'irradiation UV des anticorps conduit à l'incorporation de l'oxygène de l'eau en H₂O₂. Par marquage de l'eau avec un isotope lourd de l'oxygène, l'équipe de Lerner a confirmé que de l'oxygène contenu dans H₂O₂ vient bien en effet de l'eau, dans la proportion d'environ 1:2.2 relativement à l'oxygène moléculaire en fonction de l'équation :

2 ¹O₂   +  2 H₂O ->  2H₂O₂  +  ³O₂                                   (1)

Les chercheurs de l'Institut Scripps ont fait équipe avec l'expert en modélisation des réactions, William Goddard III de l'Institut de Technologie de Californie à Pasadena et avec son élève Xin Xu. Ils ont suggéré que les molécules d'eau pourraient se combiner avec l'oxygène singulet pour produire du trioxyde d'hydrogène (H₂O₃) , qui se réorganise finalement pour produire H₂O₂.

A cause de barrières énergétiques, la réaction initiale de l'eau et de l'oxygène singulet ne pourrait probablement jamais avoir lieu toute seule. Mais Xu et Goddard ont calculé que si la réaction a commencé avec au moins deux molécules d'eau, l'une d'elle peut agir comme un catalyseur en permettant à la réaction de se poursuivre. Cela diminue la barrière d'énergie d'activation de 64,7 kcal / mol à 31,2 kcal / mol, si les deux molécules d'eau sont impliquées, et à 12,0 kcal / mol si 3 molécules d'eau sont en cause. Les réactions inverses ont des barrières énergétiques de 9,2 kcal / mol et 0 kcal / mol, respectivement, ce qui suggère que H₂O₃ n'est pas stable dans l'eau libre. Les réactions proposées se déroulent comme ceci : l'oxygène singulet réagit avec l'eau pour former H₂O₃ et un dimère de H₂O₃ qui se réarrange ensuite rapidement pour donner H₂O₂ et de l'oxygène.

H₂O + ¹O₂ -> H₂O₃                                                 (2)

2 H₂O₃ ->  2 H₂O₂ + ³O₂                                                    (3)

Mais il n'est pas facile d'imaginer comment se réalise l'arrangement des molécules d'eau et de l'oxygène singulet. Peut-être que l'anticorps a un rôle à jouer? Pour le savoir, Wentworth et Lerner se sont tournés vers Ian Wilson, un spécialiste de la cristallographie par rayons X, à l' Institut Scripps. En utilisant les Rayons X une haute résolution, Wilson a fait des cartes de densité d'électrons de la structure atomique de quatre anticorps différents [5].

En examinant toutes les régions que les anticorps ont en commun, le groupe de Wilson a identifié trois sites proches les uns des autres qui pourraient lier les molécules d'oxygène, ainsi que les sites susceptibles de contenir les molécules d'eau dans les bons endroits.

Un étiquetage isotopique a confirmé que les anticorps jouent un rôle de catalyseur dans la conversion de ¹O₂en H₂O₂.

Ces résultats ont été confirmés par une autre équipe de recherche au California Institute of Technology , à Pasadena [6] en utilisant des calculs de mécanique quantique. Les intermédiaires de réaction proposés, HOOOH (H₂O₃) et son dimère, sont stabilisés à l'interface ' clé grecque ' de la lumière et de lourdes chaînes, typique dans les récepteurs des cellules T et des anticorps, et non présente dans microglobulines- b₂ . This was consistent with the experimentally observed lack of HOOH (H₂O₂ ) production in the latter as opposed to the former. Cela est compatible avec l'observation des expériences : l'absence de HOOH (H₂O₂ ) dans ces dernières, par opposition aux précédents. Le site catalytique, sur lequel ont lieu ces réactions, a ordonné des clusters [regroupements moléculaires] d'eau (dimères et trimères) qui permettent à ¹O₂ de réagir avec de multiples molécules d'eau. En revanche, le site de fixation pour le produit, H₂O₂ ne contient aucun cluster d'eau et est entouré dans une poche hydrophobe.

D'autres études, comparant la structure des fragments des sites de liaisons de l'antigène - à l'état natif en après irradiation aux rayons UV –, ont révélé des modifications spécifiques au niveau des résidus des acides aminés tryptophane L163 et glutamine H6, situés dans les régions interfaciales du site catalytique de l'anticorps précédemment identifié [7].

La "combustion" de l’ eau tue les bactéries

Par la suite, le groupe de l'Institut Scripps a prouvé qu'en plus de H ₂O₂, de l'ozone (O₃) [8] ou d'autres espèces trioxygènes [9] sont également produits et distribués par les anticorps, ce qui souligne les puissantes propriétés bactéricides de tous les anticorps, indépendamment de leur spécificité antigénique.

Ces découvertes sont d'autant plus surprenantes que les anticorps ont longtemps été confinés dans le rôle de 'semi combattants' dans la guerre du système immunitaire contre l'invasion par des microbes [10] ; pour cela, les cellules du système immunitaire, comme les macrophages, qui vont tuer les bactéries en les engloutissant lors de la phagocytose et en les digérant dans les vacuoles ou les phagosomes formés à l'intérieur de la cellule.

Les neutrophiles, qui constituent les globules blancs les plus abondants de dans le sang, sont également les principaux phagocytes du système immunitaire. Ils tuent les bactéries et les champignons, en partie par le déclenchement d'une rafale oxydative, composée d'un ensemble de réactions enzymatiques et chimiques qui entraînent la formation des ERO . La première étape de cette cascade, la réduction de deux molécules d'oxygène, est initiée par l'enzyme NAD(P)H oxydase, qui se trouve assemblée dans la membrane, lorsque la cellule est activée par des bactéries munies d'une couche externe d'anticorps. L'oxydase produit l'anion peroxyde (O₂^{* -} )

NAD(P)H  +  2 ³O₂  ->  NAD(P)⁺  + H⁺  + 2O₂^*-                          (4)

La réactivité de O₂^*- avec la cellule est relativement faible. Sa fonction est de générer davantage de puissantes ERO. La réaction principale au sein du phagosome est soit d'acquérir un proton pour devenir un radical hydroperoxyle (HO₂^*), suivie d'un réarrangement rapide (dismutation) en H₂O₂ et ³O₂ , avec ou sans l'aide de l'enzyme superoxide disumutase. L' H₂O₂ est alors utilisé pour oxyder Cl - en hypochlorite OCl - , une réaction catalysée par la myéloperoxydase. L'hypochlorite est très bactéricide, mais elle est également utilisée pour former des chloramines, dont certains sont encore plus toxiques pour les microbes que ne l'est l'hypochlorite. Une autre sort de l' H₂O₂ est sa conversion en un radical hydroxyle (OH ^*).

Compte tenu du fait que H₂O₂ et HOCl sont présents à des concentrations élevées dans le phagosome, il y a la possibilité pour une production chimique de l'oxygène singulet ¹O₂ à de hautes concentrations.

H₂O₂  +  HOCL  ->  ¹O₂ +  HCl  + H₂O                      (5)

Comme les anticorps peuvent catalyser la formation de H₂O₂ à partir de ¹O₂ et H₂O par l'intermédiaire de H₂O₃, avec la production d'ozone, les chercheurs de l'Institut Scripps ont recherché la preuve que les neutrophiles peuvent également produire de l'ozone et leur démarche a été couronnée de succès [11]. Le schéma qu'ils ont proposé pour la génération des ERO dans les neutrophiles est donné dans la Figure 1.

Espèces réactives de l'oxygène produites par les neutrophiles

Mais l'histoire n'est pas terminée : en 2008, une équipe de chercheurs japonais dirigée par Kouhei Yamashita, à l'Université de Kyoto, a constaté que quatre acides aminés (sans anticorps) - tryptophane, méthionine, cystéine et histidine - sont également capables de catalyser la conversion de l'oxygène singulet en ozone en cas d'exposition aux UVA dans une solution aqueuse. D'autres acides aminés solubles dans l'eau ont été testés : ils n'ont pas cette capacité [12].

En effet, la combustion de l'eau semble assez simple : il s'agit d'un mode de vie. Les animaux, y compris les êtres humains, le font en permanence à des fins de signalisation cellulaire et pour réguler l'état énergétique des tissus et des cellules [13] ( Living with Oxygen , SiS 43).

Article first published 17/06/09