Pascale Mentré
Maître
de Conférences hors classe
Muséum d' Histoire Naturelle de Paris
La narcose (anesthésie générale) peut
être provoquée par des substances très variées.
Citons le protoxyde d' azote, NO, décrit dès 1799
par Humphrey Davy, l' éther O(C2H5)2, expérimenté
pour la première fois publiquement par T.G. Morton
en 1846, le chloroforme, CHCl3, ou " anesthésique de
la reine " proposé par Sir J.Y. Simpson et dont bénéficia
la reine Victoria, l' acétylène, C2H2, le chloral
CCl3CHO, le chlorure d' éthyle C2H5OCl, le cyclopropane C3H6,
les dérivés de l' acide barbiturique, dont le penthotal,
etc.
Dès le début du 20ème siècle, on avait
noté :
a) que ces substances sont des gaz ou du moins sont
très volatiles ;
b) qu' elles sont très solubles dans les lipides
et très peu dans l' eau (hydrophobes) ;
c) que leur pouvoir anesthésiant croît
comme leur solubilité dans les lipides.
Diverses théories avaient été proposées
mais aucune n' avait le mérite de donner une explication
unitaire du problème.
L' hypothèse de Pauling
Au cours du 20ème siècle, des gaz rares (Ar, Kr et
Xe) - donc des substances chimiquement inertes -, s' ajoutèrent
à la liste des narcotiques.
En 1959, le grand chimiste doublé d' un excellent physicien
que fut Linus C. Pauling suspecta alors que la clé
du problème devait résider non dans des particularités
chimiques, mais dans une propriété physique commune
à toute ces substances, à savoir celle former
des clathrates avec les molécules d' eau voisines.
Il proposa que cette propriété pourrait, en changeant
leur environnement hydrique, perturber l' activité et donc
la configuration de certaines molécules
du système nerveux (1).
Les clathrates
Pour bien se représenter ce qu' est un clathrate il
peut être utile de revoir rapidement les propriétés
fondamentales de la molécule d' eau et la définition
de l' hydrophobicité. Dipolarité de la molécule
d' eau et liaison hydrogène sont les clés de l' organisation
de l' eau au contact de toute substance qu' elle soit hydrophile
ou apolaire (= hydrophobe) .
La molécule d' eau (2) a
globalement une charge nulle mais la distribution dissymétrique
de ses électrons en fait un petit dipôle électrique
(Fig. 1).
figure 1
La molécule expose en effet deux protons (les noyaux de
ses deux hydrogènes) d' un côté et les deux
paires d' électrons de son oxygène de l' autre.
A cause de leur très petite taille les protons génèrent
un champ électrique très intense qui permet un type
particulier de liaison, nommée liaison hydrogène
(liaison H, Fig. 2).
Dans une liaison H, le proton d' un hydrogène, lié
de façon covalente à un " donneur " (radical
ou molécule polaires) attire la partie négative d'
un " receveur " . Dans l' eau ordinaire (dite eau bulk)
chaque molécule d' eau sature ses possibilités de
liaison H en se liant à quatre autres molécules d'
eau, deux comme donneuse et deux comme receveuse. Les radicaux dits
polaires, comme -OH (alcool) ou -NH- (amine secondaire) se lient
aisément soit à des molécules d' eau, soit
entre eux, comme donneurs d' hydrogène, et/ou comme receveurs
sur les paires d' électrons de l' oxygène ou de l'
azote. La liaison H est une liaison de moyenne énergie (quelques
kcal.mol-1) dix fois moins forte qu' une liaison covalente et dix
fois plus forte qu' une interaction de Van der Waals. Sa durée
de vie moyenne dans l' eau bulk est de l' ordre de 10-12s.
Les molécules d' eau sont attirées par les substances
hydrophiles (Fig.3). Elles
forment des liaisons H avec les domaines polaires et s' accumulent
radialement autour des domaines ionisés (eau électrostrictée).
Le temps de résidence des molécules d' eau liées
pas liaison H est de l' ordre de 10-9 s. Il semble qu' il soit beaucoup
plus court dans l' eau électrostrictée, de l' ordre
de 10-15 s.
figure 2
Au contact des domaines apolaires,
les molécules d' eau s' organisent de façon très
différente : elles se disposent à cheval sur les surfaces
apolaires, de manière à préserver leurs quatre
possibilités de liaison H avec d' autres molécules
d' eau. Elles forment une eau dite ice-like. Cette formation,
qui porte le nom curieux d' hydratation hydrophobe:
a) est exothermique : elle est facilitée
par un abaissement de température, au-delà de 30 ÁC
elle " fond " ;
b) elle s' accompagne d' une baisse d' entropie
(augmentation du degré d' ordre) ;
c) elle est favorisée par une augmentation
de pression.( Fig. 3)
figure 3
Quand les atomes ou les molécules apolaires sont de petite
taille, ils vont se trouver emprisonnés dans de petites
cages d' eau polyédriques dont les faces sont des pentagones
. Les molécules d' eau occupent les sommets et les côtés
sont constitués par les liaisons H qui réunissent
les molécules d' eau, tangentiellement aux surfaces apolaires.
La dimension moyenne de ces cages est 5 Å. Ces complexes se
nomment hydrates ou clathrates (en grec: treillis;
Fig. 4).
figure 4
Dans certaines conditions, ils peuvent s' associer par leurs faces
pentagonales pour former de gigantesque ensembles quasi-cristallins
. Dans la cellule il y a peu de petites molécules apolaires
libres. Par contre, les radicaux apolaires accessibles abondent
: chaînes latérales hydrophobes des protéines,
domaines apolaire des bases des phospholipides membranaires. Les
molécules d' eau forment alors des cages incomplètes,
avec des faces pentagonales si les surfaces à couvrir sont
de petite taille (-CH3, -C2H5, ), et des faces hexagonales ou carrées
si les surfaces hydrophobes sont plus étendues (3).
Clathrates et narcose des profondeurs
La stabilisation des clathrates sous haute pression permet d'
expliquer deux phénomènes intéressants : la
narcose des profondeurs et l' adaptation des baleines à
la plongée rapide à plusieurs centaines de mètres
sous la surface de l' océan.
Dans les deux cas, l' azote est en cause.
L' azote à la pression atmosphérique n' est pas assez
apolaire pour retenir l' eau de façon stable sous forme de
clathrate. Mais dès que la pression augmente de quelques
bars (quelques dizaines de mètres de profondeur) il se produit
plusieurs phénomènes distincts quoique aussi préjudiciables
les uns que les autres à l' être humain :
a) le peu d' air resté dans les poumons passe
en solution dans le sang ;
b) l' azote se complexe sous la forme de clathrates
qui vont exercer un effet narcotique ;
c) à la remontée, l' azote se libère
sous forme de bulles dans les vaisseaux. Les baleines échappent
à ces accidents grâce à la puissante musculature
de leur cage thoracique qui leur permet d' expulser pratiquement
tout l' air de leurs poumons avant de plonger mais également
grâce à l' abondant revêtement lipidique de leurs
voies respiratoires qui va piéger l' azote restant, complexé
en clathrates, et l' empêcher de passer dans le sang.
Mode d' action des anesthésiques au
niveau des cellules
L' affinité des anesthésiques pour les lipides
suggère qu' ils agiraient au niveau des membranes des cellules
qui, on le sait, contiennent 90% de lipides.
Mais cette notion doit être nuancée : en effet, ce
ne sont pas n' importe quelles cellules qui sont perturbées
; ce sont avant tout les cellules nerveuses. On peut donner comme
explication qu' elles sont plus riches en lipides que les autres
cellules. Mais ce ne sont pas n' importe quelles cellules nerveuses
qui sont touchées : ainsi, la cible des barbituriques (comme
le penthotal) se trouve dans le centre de la vigilance situé
dans le mésencéphale au carrefour de voies sensitives
et de voies motrices. Ils agissent sur le récepteur du GABA
(acide g-aminobutyrique), un neurotransmetteur présent
dans les membranes des neurones. La question est de savoir si les
anesthésiques agissent directement sur les récepteurs
GABA - c' est-à-dire des protéines - ou par l' intermédiaire
des lipides membranaires ?
Les sites cibles des anesthésiques ne sont pas aussi
apolaires qu' on le pensait autrefois (8).
Mais ce n' est pas incompatible avec le caractère apolaire
des anesthésiques. L' hydratation joue un rôle capital
dans la thermodynamique des protéines (4):
celles-ci, de façon générale, sont en équilibre
avec leur environnement en lui exposant des domaines hydrophiles.
On peut comprendre alors que les molécules narcotiques, par
leur forte capacité à organiser l' eau à leur
contact sous une forme beaucoup plus stable que les domaines hydrophiles
(voir note (4)), puisse perturber
la structure et donc la fonction de certaines protéines,
y compris au niveau de sites hydrophiles.
La solubilité des anesthésiques dans les lipides
membranaires joue aussi un rôle fondamental ainsi
que le suggèrent des travaux récents. Sous une pression
de 150 bars (la pression sous 1500 m d' eau), des poissons rouges
endormis par un narcotique se réveillent (5).
A première vue, ce résultat semble en contradiction
avec l' apparition de la narcose des profondeurs décrite
plus haut. Il n' en est rien. Premièrement, les poissons
n' ont pas de poumons, donc pas de problème de dissolution
de l' azote dans le sang. Deuxièmement, il est vrai qu' une
augmentation de pression de quelques bars suffit à stabiliser
l' azote sous la forme de clathrate, efficacement anesthésiant.
Mais à une pression plus élevée (au-delà
d' une centaine de bars) les membranes des cellules, fluides dans
les conditions habituelles, deviennent rigides (6).
Leurs chaînes d' acides gras tendent à se rapprocher,
ce qui augmente la pression interne latéral. Cet
effet est antagoniste de celui des anesthésiques qui, à
cause de leur caractère lipophile, tendent au contraire à
se dissoudre dans les membranes et augmenter leur fluidité.
Or la pression latérale interne des membranes est un paramètre
important. Ses variations, réponse à de nombreux stimulus
et chocs (mécaniques, thermiques), en perturbant la structure
des protéines transmembranaires jouent un rôle clé
dans les relations entre la cellule et son environnement (7).
Les effets antagonistes des hautes pressions et des anesthésiques
suggèrent ainsi que l' action des barbituriques sur les récepteurs
GABA pourrait se faire via une variation de la pression intramembranaire.
En conclusion
Dans l' état actuel des connaissances, il semble bien que
l' action des anesthésiques repose sur des propriétés
physiques : hydratation hydrophobe, modification de la fluidité
des membranes entraînant la modification de la structure de
protéines transmembranaires spécifiques des neurones,
et/ou modification directe de la structure de ces protéines
par modification de leur environnement hydrique. Les anesthésiques
sont très étudiés pour leurs applications médicales
: on cherche sans cesse à fabriquer de nouvelles molécules
plus performantes et moins toxiques.
Mais il est dommage que depuis Pauling bien peu d' études
physiques aient été faites sur leur mode d' action
si particulier. Ils constituent en effet un outil très intéressant
pour l' étude de la structure de l' eau au contact des biomolécules.
(1) Entre autres
la théorie des lipides de Meyer-Overton
(2) Nous ne retiendrons pas ici le terme
hydrophobe qui est fréquemment employé pour désigner
les substances apolaires. Il prête à un fâcheux
contresens. En effet, ces substances n' ont pas peur de l' eau,
elles ne fuient pas l' eau. Simplement, contrairement aux substances
hydrophiles, elles ne développent pas de champ électrique
suffisant pour retenir les molécules d' eau. Le terme d'
apolaire est donc beaucoup plus approprié. En revanche,
nous maintiendrons le terme général hydrophile
pour les substances qui ont une affinité pour l' eau (solubles
ou mouillables) en faisant la distinction entre les substances ionisée
et les substances polaires sensu stricto (Fig.
3)..
(3) Rappelons que le champ électrique
à la surface d' un objet sphérique de rayon r et de charge q est
proportionnel à q/r2
(4) Ceci traduit l' énergie qu' il faut
fournir pour rompre les liaisons hydrogène plus. Leur durée de vie
dans l' hydratation hydrophobe est de l' ordre de 10-6 s, soit plusieurs
ordres de grandeur plus longue qu' au contact des domaines hydrophiles.
(5) Selon la loi
de Le Chatelier une élévation de pression favorise les transitions
qui s' accompagnent d' une diminution de volume (donc d' une augmentation
de densité). Ceci a permis de vérifier que l' eau des clathrates
est plus dense que l' eau bulk.
(6) Le pentagone est la forme géométrique
appropriée pour " paver " une surface sphérique, alors qu' hexagone
et carré conviennent pour un plan.
(7) C' est ainsi que des quantités énormes
d' hydrate (clathrate) de méthane sont stabilisées
aux fond des mers à environ 4 °C sous une pression
de plusieurs centaines de bars.
BIBLIOGRAPHIE
1. Pauling L.C. A molecular theory
of general anesthesia. Anesthesia is attributed to the formation
in the brain of minute hydrate crystals of the clathrate type. Science
1959, 134 : 15-21.
2. Mentré P. L' eau dans la cellule.
Une interface hétérogène et dynamique des macromolécules. Masson,
Paris, 1995.
3. Udachin K.A., Ripmeester J.A.
A complex clathrate hydrate structure showing bimodal guest hydration.
Nature 1999, 397 : 420-423.
4. Privalov P.L. Thermodynamic
problems of protein structure. Annu. Rev. Biophys. Chem. 1989,
47-69.
5. Bader J.M. L' anesthésie en
question ??????????????? 38-150
6. Mentré P., Hui Bon Hoa
G. The effects of high hydrostatic pressures on living cells:
a consequence of the properties of macromolecules and macromolecule-associated
water. Int. Rev. Cytol. 2001, 201:1-85.
7. Vigh L., Maresca B., Harwood J.L.
Does membrane' s physical state control the expression of heat shock
and other genes? Trends Biochem. 1998, 23: 369-374.
8. Miller K.W. The nature of
sites of general anesthetic action. Br. J. Anesth 2002, 89:
17-31
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