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  LES DANGERS DE L'OXYGENE


Dans l'esprit de chacun, l'oxygène est perçu comme source de vie. Sans lui nous étouffons comme les alpinistes au sommet de l'Everest ou comme un sportif à la fin d'une course.

L'oxygène gazeux ou dioxygène (O2) fut identifié en 1774 comme un des composants de l'air par l'Anglais Joseph Priestley (1733-1804). Son rôle indispensable dans les "combustions" respiratoires à l'origine de l'énergie chez les animaux fut démontré par Lavoisier à la même époque.

Pourtant, si l'atmosphère terrestre contient actuellement 21 % d'oxygène, il n'en a pas été toujours ainsi. Lorsque la vie est apparue sur Terre, il y a environ 3,5 milliards d'années, l'atmosphère ne contenait pas d'oxygène gazeux. L'activité des organismes photosynthétiques a ensuite permis la lente accumulation de ce gaz dans l'atmosphère. En effet, la photosynthèse utilise l'énergie lumineuse pour décomposer les molécules d'eau en oxygène et hydrogène. L'hydrogène est utilisé pour synthétiser des molécules organiques à partir du dioxyde de carbone tandis que l'oxygène se dégage.

L'accumulation d'oxygène à la surface de la Terre a constitué une révolution écologique majeure. Les organismes anaérobies stricts (pour lesquels l'oxygène est un poison) ont dû s'adapter ou disparaître tandis qu'apparaissaient des êtres vivants aérobies nécessitant de l'oxygène pour vivre.

On peut retrouver aujourd'hui des vestiges de ce passé lointain. Outre qu'il existe des multitudes de bactéries vivant parfaitement bien sans oxygène (on en a retrouvé récemment à de grandes profondeurs sous la Terre lors de forages), des êtres plus évolués comme les levures ou certains parasites s'en passent également très bien. Il en est de même pour de nombreux types de cellules des organismes les plus évolués : certaines cellules humaines, musculaires notamment, fonctionnent sans oxygène.

En réalité, l'oxygène peut être la meilleure et la pire des choses : il tue les anaérobies stricts mais aussi les aérobies au dessus d'une concentration critique. Certains globules blancs du sang l'utilisent d'ailleurs pour former des dérivés toxiques détruisant les microbes qu'ils ingèrent. L'oxygène peut être aussi à l'origine de redoutables pathologies pulmonaires ou inflammatoires et de cancers. De plus, il est très vraisemblablement impliqué dans les processus de vieillissement.

Pourquoi l'oxygène peut-il se révéler si toxique alors que sous forme gazeuse sa réactivité chimique est faible ?

Dès 1900, le chimiste allemand M.Gomberg montra que l'oxygène réagit avec des molécules particulières appelées radicaux libres. Il s'agit de molécules possédant un électron non apparié (dit célibataire). Ces radicaux libres sont hautement réactifs car ils ont tendance à arracher des atomes aux molécules pour reconstituer une paire d'électrons assurant une liaison stable : en effet, les liaisons interatomiques dans les molécules sont principalement réalisées par la mise en commun de 2 électrons entre 2 atomes. Or des radicaux libres sont formés en permanence dans les cellules par diverses enzymes comme des oxydases et des oxygénases.

Certains radicaux libres se combinent avec l'oxygène produisant ainsi des peroxydes comme l'eau oxygénée. Ces peroxydes sont eux-mêmes très réactifs et donc hautement toxiques (on utilise l'eau oxygénée ou peroxyde d'hydrogène pour désinfecter les plaies car elle tue les microorganismes). Ils entretiennent des réactions en chaîne en se décomposant à leur tour en radicaux libres qui peuvent réagir avec l'oxygène.

C'est en utilisant ce type de réaction comme déclencheur que K.Ziegler (1898-1973) et G.Natta (1903-1979) mirent au point la synthèse de polymères aujourd'hui omniprésents dans la vie quotidienne (polyéthylène, polypropylène) ce qui leur valut le prix Nobel de chimie en 1963.

Dans les cellules, ces réactions en chaîne deviennent rapidement mortelles notamment parcequ'elles détruisent les membranes. Il est donc de première importance pour les cellules d'empêcher leur déclenchement. Pour cela, elles doivent se débarrasser rapidement des radicaux libres et des peroxydes en les éliminant au fur et à mesure de leur formation car les réactions en chaîne se déclenchent à partir d'une concentration critique. Une des principales espèces chimiques dangereuses produites à partir d'oxygène est l'ion superoxyde O2- mais toutes les cellules contiennent l'enzyme superoxyde dismutase (SOD) découverte en 1969. Cette enzyme transforme l'ion superoxyde en eau oxygénée (peroxyde d'hydrogène). Mais quel peut être l'intérêt d'une enzyme qui transformerait un produit toxique, l'ion superoxyde en un autre produit toxique, le peroxyde d'hydrogène ? C'est passer de la peste au choléra !

En fait, il s'agit de division du travail : l'action de la SOD est assistée par celle de 2 autres catégories d'enzymes : les peroxydases et les catalases. Les peroxydases sont capables d'arracher de l'hydrogène à un substrat pour former 2 molécules d'eau à partir d'une molécule de peroxyde. Mais ces enzymes très variées possèdent également d'autres rôles et elles ne contribuent pas toutes à l'élimination des peroxydes.

La catalase est une enzyme extrêmement active. Une seule molécule de cette enzyme est capable de décomposer plusieurs millions de molécules de peroxyde par minute. Les produits de la réaction sont de l'eau et de l'oxygène qui se dégage sous forme gazeuse. Son activité peut être aisément mise en évidence en raison du dégagement d'oxygène qu'elle produit, assez intense pour être vu à l'œil nu si la quantité de peroxyde est suffisante.

Beaucoup de cellules comme celles des levures sont très riches en catalase. Elles sont munies d'organites spécialisés, les peroxysomes, contenant cette enzyme. C'est la raison pour laquelle nous utiliserons des levures pour détecter l'activité de la catalase.

EXPERIENCE

METTRE EN EVIDENCE L'ACTIVITE DE LA CATALASE

Matériel nécessaire

Levure fraîche, gélatine alimentaire, sucre en poudre, eau oxygénée à 10 volumes, boîtes de Pétri ou tout autre récipient large et bas, compte-gouttes.

Comment procéder ?

Dissoudre 0,5 g de sucre dans 50 mL d'eau. Ajouter 1 g de levures et agiter jusqu'à obtenir une suspension homogène. Laisser reposer 1 heure en agitant de temps en temps.

Découper une feuille de 2 g de gélatine alimentaire en morceaux. Mettre les morceaux dans 50 mL d'eau et passer au microondes ou au feu pour faire fondre la gélatine.

Lorsque la température de la gélatine a suffisamment baissé (quand on peut y tremper le doigt sans se brûler), y incorporer la suspension de levures préalablement agitée soigneusement.

Verser le mélange dans des boîtes de Pétri sur une épaisseur de 0,5 cm et placer les boîtes au réfrigérateur jusqu'à solidification de la gélatine.

Sortir alors les boîtes et les laisser 1 h à la température ambiante.

Déposer des gouttes d'eau oxygénée à la surface du milieu. Dès qu'elle atteint les levures en diffusant à travers la gélatine, elle est décomposée par la catalase. Des bulles d'oxygène se forment et une sorte d'écume apparaît alors progressivement à la surface de la gélatine.


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