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La
liaison hydrogène,
souvent évoquée dans ce document à propos de
l'eau, est une liaison dont peu de monde soupçonnait l'importance,
il y a quelques années encore. Pourtant, on pourrait la baptiser
"la liaison de la vie", au même titre que l'on pourrait
baptiser H2O "la
molécule
de la vie", tellement toutes deux jouent un rôle central
dans les processus biologiques au niveau moléculaire.
On l’a vu, la molécule H2O est
capable de développer des liaisons hydrogène. Mais
elle n’est pas la seule : la plupart des
molécules
polaires, en particulier les molécules biologiques, peuvent
le faire et se lier ainsi entre elles ou avec des molécules
d’eau. Toutes les molécules possédant des groupes
carbonyles (C=O) polaires peuvent également se lier par liaisons
hydrogène aux molécules d’eau. Mais la petite
molécule d’eau est capable d’établir jusqu’à
quatre de ces liaisons. Dans l'eau liquide ou la glace, où
il n’y a que des molécules d’eau, cela permet d’avoir
un nombre de liaisons hydrogène particulièrement élevé
: autant que de
liaisons de valence. C’est ce qui donne
à l'eau ses propriétés physiques exceptionnelles
(au voisinage de 0°
Celsius, elle se contracte quand
on la chauffe et devient plus fluide quand on la comprime), et ses
propriétés chimiques non moins exceptionnelles (elle
est unique pour dissoudre les
sels, acides ou bases en les
dissociant en ions positifs et négatifs, etc....).
Quelles propriétés
possède donc la liaison hydrogène pour donner de tels
effets?
Elle en a deux, plus une troisième, certainement aussi cruciale,
mais encore peu connue :
1 - Comme les liaisons de valence, la liaison hydrogène est
directionnelle : elle s’aligne dans l’axe de la liaison
de valence qui lui est associée. Par exemple, dans l’eau,
les 3 atomes
O, H et O de la liaison O-H.......O sont alignés. Cette propriété
permet d'avoir des architectures moléculaires très
bien définies, comme dans la glace ou dans l'eau à
courte distance, ou encore dans les molécules biologiques
telles que les protéines, ou l'ADN dont les deux brins sont
liés entre eux par liaisons hydrogène.
2 - L’énergie de formation de la liaison hydrogène
est de l'ordre des énergies mises en jeu dans les fluctuation
thermiques à la température ambiante (27° Celsius).
Aussi, de telles liaisons peuvent-elles se tordre, se rompre ou
se restaurer à cette température. Cette propriété
donne aux architectures moléculaires assemblées par
liaisons hydrogène, souplesse et possibilité d'évoluer
à la température ambiante, ce que ne peuvent faire
les liaisons de valence, beaucoup trop énergétiques
et donc complètement rigides à cette même température.
Or, cette souplesse et ces possibilités d'évolution
sont indispensables aux molécules biologiques. C'est aussi
cette souplesse de la liaison hydrogène et la grande polarité
de la molécule d’eau qui vont, par exemple, permettre
à l'eau de construire autour d'un ion un écran de
molécules H2O souple, résistant
et couvrant tout l'espace autour de cet ion, l’empêchant
de se combiner à nouveau avec des ions de signe opposé
et le maintenant "dissous" au sein de l'eau. Beaucoup
de molécules constituantes d'autres liquides sont aussi polaires.
Mais incapables d'établir suffisamment de liaisons hydrogène
entre elles dans tout l'espace, pour former un réseau souple
et résistant, elles sont incomparablement moins efficaces
que l’eau pour dissoudre sels, acides ou bases.
3 - Enfin, la liaison hydrogène est capable de transférer
des ions H+ entre les molécules qu'elle lie. Cette
propriété est très importante car elle est
à l’origine de la réactivité des milieux
aqueux. Sans elle, ceux-ci seraient inertes et la vie ne serait
pas possible, car les molécules biologiques doivent en permanence
réagir pour rester actives. On soupçonne que ce sont
les molécules H2O qui autorisent ces
transferts d’ions H+ en établissant certaines
liaisons hydrogène spécifiques, en d'autres termes
qu'elles donnent le feu vert pour que des molécules telles
que des protéines puissent réagir. C'est peut-être
là leur rôle fondamental, et ce serait grâce
à cela que la vie est née dans l'eau et s'y poursuit
!
Yves
Maréchal
CEA Grenoble
 
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