dimanche 28 avril 2013

EAU ET BIOLOGIE (2) : Fonctionnement cellulaire et pompes ioniques

L'eau colporte nombre d'idées reçues, d'erreurs scientifiques et est un terrain propice à la spéculation sur sa structure, ses propriétés et rôles.

Parmi celles-ci, une information erronée traine depuis des décennies notamment dans les manuels de biologie concernant le rôle et le fonctionnement de la pompe sodium/potassium.



Dans un récent article, au demeurant très intéressant, intitulé "Ce n’est pas le sel qui est dangereux, c’est la carence en potassium " paru dans la newsletter du magazine "Alternative Santé" et signé par Michel Dogna, figure ce paragraphe :  


"Il existe une pompe sodium-potassium au niveau des membranes cellulaires qui joue un rôle déterminant dans le maintien du potentiel de repos des cellules nerveuses, musculaires et cardiaques. Cette pompe permet d'échanger les ions sodium (Na+) issus du milieu intracellulaire avec les ions potassium K+ issus du milieu extracellulaire dans un rapport précis de 3 Na+ pour 2 K+. Cette pompe est donc responsable du maintien du volume des cellules, celui-ci dépendant de leur hydratation. Le détail de ce mécanisme est un casse-tête de scientifique que nous n’aborderons pas." 









Ce modèle des pompes sodium-potassium, tel que classiquement décrit dans les manuels et articles de biologie ou biochimie, ne peut fonctionner ainsi. Ce, pour au moins une raison simple; cette pompe utilise à elle seule entre 10 à 30% des réserves énergétiques (Adénosine Tri Phosphate) de la cellule. Sachant que les biologistes ont identifié à ce jour une cinquantaine de pompes ioniques, cette explication est donc tout simplement énergétiquement aberrante. 


Le différentiel Sodium (majoritaire à l'extérieur de la cellule) et Potassium (prépondérant dans le milieu intracellulaire) tient tout simplement à une différence d'hydratation entre ces 2 ions comme l'explique le modèle d'association-induction de Gilbert Ling.

L’hypothèse d’induction-association de Ling 

Dans son livre "Life at the cell and below cell level", G. Ling consacre 5 chapitres à développer sa théorie de l'association-induction (AI). Dans celle-ci, l'auteur a proposé que les principales composantes du protoplasme vivant - l'eau, les protéines et les ions potassium K+ - existent  dans une étroite association, dans un état de basse entropie appellé "L'état vivant" ( Cf article "Can we see living structure in a cell?" :
http://www.physiologicalchemistryandphysics.com/pdf/PCP43_ling.pdf.)



Quelques chapitre du livre en téléchargement :
http://www.gilbertling.org/

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La théorie erronée des pompes membranaires sur la structure de l'eau cellulaire :

Article 

"A convergence of experimental and theorical breakthroughs affirms the PM theory of dynamically structured cell water on the theory's 40 th birthday




(pages 1 à 52)


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  Une expérience consistant à exposer une cellule à un détergent qui détériore la membrane montre que les ions sodium restent majoritaires dans l'espace extracellulaire tandis que les ions potassium le sont dans le compartiment intracellulaire pendant 8 heures environ ; la membrane contenant la pompe "sodium - potassium" n'est donc pas responsable du ratio de ces ions !


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C'est donc bien l'eau qui explique  les grandes différences de concentration des ions sodium et potassium entre les milieux extra et intracellulaires. Pour plus de détail, je reproduis en fin d'article l'excellent décryptage du Pr Marc Henry ("pompes ioniques") qui nous explique les raisons de cette erreur scientifique persistante.


Pompes ioniques

De manière assez étrange la notion même d’eau interfaciale structurée en couches successives autour des biopolymères est complètement absente des manuels modernes de biologie, à l’exception notable du livre de Pascale Mentré [40]. Pour beaucoup de biologistes, l’eau intracellulaire possède les mêmes propriétés que l’eau liquide justifiant l’existence d’une membrane lipidique étanche aux ions tels que H+, Na+, K+ et Cl- mais perméable à l’eau afin de d’éviter que tout ce petit monde ionique ne s’échappe vers l’extérieur. 

Cette vision des choses date en fait de 1930, où le prix Nobel de médecine (1922) Archibald Vivian Hill démontra de manière «définitive» à l’aide d’expériences sur des muscles de grenouilles que l’existence d’une eau intracellulaire ayant des propriétés différentes de l’eau liquide était une chimère [41]. En fait lorsque les mêmes mesures furent refaites en 1970 par G. N. Ling sur toute la gamme d’activité de l’eau (0,043 ≤ aW ≤ 0,996), il trouva qu’il n’y avait nulle trace d’eau liquide dans le muscle [42]. Le drame fut que 40 années s’étaient écoulées depuis les expériences «définitives» de A. V. Hill, laps de temps pendant lequel toute une nouvelle génération de biologistes était apparue acceptant le dogme du petit sac d’eau délimité par une membrane semi-perméable obéissant à la rassurante équation de van’t Hoff et obéissant aux lois de l’osmose. Un tel dogme a bien évidemment très vite rendu obligatoire dès 1941 la notion de pompes ioniques fonctionnant 24h sur 24 au moyen d’ATP et assurant le passage des ions à travers la membrane car il se trouve que le milieu intracellulaire est riche en ions potassium (140 mM) et pauvre en ions sodium (5 mM) ou en ions chlorure (5-15 mM) alors que le milieu extracellulaire est au contraire pauvre en ions potassium (5-15 mM) et riche en ions sodium (145 mM) ou en ions chlorure (110 mM) [43]. 

Le problème est que si l’on compare l’énergie disponible en ATP dans la cellule et le travail nécessaire pour pomper les ions Na+ contre le potentiel membranaire on trouve des déficits énergétiques compris entre 1500 et 3000% [45][44]. Des mesures indépendantes faites concernant le transfert du potassium ont confirmé que le coût de fonctionnement d’une pompe ionique était démesuré compte tenu des capacités de production d’ATP de la cellule [46]. Aussi incroyable que cela puisse paraître, cette violation flagrante du premier principe de la thermodynamique par la cellule n’est évoquée et discutée en France que dans le livre de Pascale Mentré [40]. Aux États-Unis seuls les livres de Gilbert N. Ling [44] et de Gerald H. Pollack [43] y font référence. Si l’on prend en compte toutes les critiques qui ont été avancées pour sauver le dogme des pompes, on trouve que la pompe à sodium mobilise à elle seule 9 à 23% de l’énergie totale disponible selon les différentes hypothèses de travail [47]. Or il se trouve que l’on dénombre aujourd’hui pas moins de 50 pompes [43], sans oublier les fameuses aquaporines [48], qui laissent passer l’eau à travers la membrane cellulaire avec une vitesse de l’ordre de 2 à 3 milliards de molécules par seconde [49] tout en restant parfaitement étanches aux ions H+ pourtant extrêmement mobiles et très fortement associés à l’eau. Comment trouver la quantité nécessaire d’ATP pour faire fonctionner cette multitude de pompes, sachant qu’il existe une multitude d’autres processus biochimique ayant besoin d’ATP?

En fait la solution à ce paradoxe est extrêmement simple et repose sur le fait que l’eau intracellulaire est structurée en multicouches et ne se comporte donc pas du tout comme l’eau liquide que nous connaissons tous. L’ion sodium se trouve spontanément exclu du milieu intracellulaire car pour y pénétrer cela supposerait qu’il perde sa première couche d’hydratation fortement liée. A l’inverse la première couche d’hydratation d’un ion potassium étant beaucoup plus labile [50], ce dernier peut se frayer un chemin dans l’eau interfaciale polarisée en multicouches pour venir s’adsorber sur les sites chargés des résidus glutamate et aspartate des protéines [44].  

Dans cette optique, les pompes ioniques, véritables démons de Maxwell de la cellule, sont donc parfaitement inutiles et la membrane n’est pas là pour empêcher la fuite du potassium vers le milieu extracellulaire mais simplement pour définir des véritables postes frontière (protéines intermembranaires) destinés à contrôler et réguler le passage des électrolytes.  
Cette vision des choses est cohérente avec l’expérience du muscle coupé de G.N. Ling qui montre que le potassium reste dans le milieu intracellulaire même si l’on retire la membrane [43]. De même on explique aisément le doublement de la largeur de raie RMN 1H lors du développement d’un muscle gastrocnémien corrélée à une réduction d’un facteur 10 de la concentration intracellulaire en ions sodium [45].


[40] P. Mentré, «L’eau dans la cellule», Masson, Paris (1995).
[41] A. V. Hill, «The state of water in muscle and blood and the osmotic behaviour of
muscle», Proc. R. Soc. London B, 106 (1930) 477-505.
[42] G. N. Ling & al., «Predictions of polarized multilayer theory of solute distribution
confirmed from a study of the equilibrium distribution in frog muscle of twenty-one nonelectrolytes
including five cryoprotectants», Physiol. Chem. Phys & NMR Med., 25 (1993)
177-208.
[43] G. H. Pollack, «Cells, gels and the engine of life», Ebner & Sons, Seattle Washington,
(2001).
[44] G. N. Ling, «Life at the cell and below-cell level», Pacific Press, New York (2001).
[45] C.F. Hazlewood, «A role for water in the exclusion of cellular sodium: is a sodium
pump needed», Cardiovasc. Diseases, 2 (1975) 83.
[46] L. Minkoff & R. Damadian, «Caloric catastrophe», Biophys. J., 13 (1973) 167-178.
[47] C. F. Hazlewood, «Pumps or no pumps?», Science, 177 (1972) 815-817.
[48] C. Maurel & M. J. Chrispeels, «Aquaporines. A molecular entry into plant water
relation», Plant Physiol., 125 (2001) 135-138.
[49] P. Agre & D. Kozono, «Aquaporin water channels: molecular mechanisms for human
diseases», FEBS Letters, 555 (2003), 72-78.
[50] K. D. Collins, «Sticky ions in biological systems», Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92
(1995) 5553-5557.
 

Annexe :  Henry M. (2010), "Rencontres Ritrovarsi", Société PhytoQuant, Monte-Carlo, 16 octobre 2010


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Three sets of independant disproofs against the membrane-pump theory 

http://www.gilbertling.org/lp6a.htm

 

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Coherent Behavior and the Bound State of Water and K+ Imply Another Model of Bioenergetics: Negative Entropy Instead of High-energy Bonds

  

Résumé :  
Les observations du comportement cellulaire cohérent ne peuvent pas être intégrées dans la  théorie largement acceptée des pompes membranaires  (MT) et de ses états énergétiques stables à cause du bruit thermique de l'eau cellulaire ordinaire et de la libre circulation cytoplasmique des ions K+. Toutefois, Ling a réfutée la théorie MT et a proposé un modèle alternatif basé sur la cohérence, montrant que le repos (R) et l'action (A) sont deux phases différentes du protoplasme avec différents niveaux d'énergie. L'état-R est un état métastable cohérent de faible entropie lorsque l'eau et les ions K+ sont liés à des protéines dépliées. L'état-A est le plus haut état entropique parce que l'eau et les ions K+ sont libres. La transition de la phase R à A est considérée comme un mécanisme permettant de libérer de l'énergie pour le travail biologique et qui remplace la notion classique des liaisons de haute énergie. L’inactivation subséquente au cours de la transition endergonique de la phase  A à la phase R a besoin d'un apport d'énergie métabolique pour restaurer l'état R de basse entropie. L’hypothèse de l'agrégation native de Matveev permet d'intégrer les informations énergétiques des protéines globulaires dans ce modèle.




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Water: swelling, tension, pain, fatigue, aging


Extrait :

The people who believe in membrane pumps that maintain normal solute distributions by active transport know that the pumps would require energy (far more than the cell can produce, but they don't confront that issue), and so their view requires that they assign a great part of the cell's resources just to maintaining ionic homeostasis, and the result of that is that they tend to neglect the actual energy economy of the cell, which is primarily devoted to the adaptive renewal of the cell structure and enzyme systems, not to driving the systems that don't exist  





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Autre lecture : «L'induction électronique anime la cellule» 

 La théorie de Gilbert Ling lie l'adsorption sélective du potassium K+ à un état particulier des protéines intracellulaires et de l'eau dans les cellules des êtres vivants.
 

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History of the Membrane (Pump) Theory of the Living Cell from Its Beginning in Mid-19th Century to Its Disproof 45 Years Ago — though Still Taught Worldwide Today as Established Truth

http://www.physiologicalchemistryandphysics.com/pdf/PCP39-1_ling.pdf 

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How the Physical-Chemical Study of Cells took a Wrong Direction Some 50 Years ago: The Greatest Scientific Error in Biological Sciences Initiated in 1930 


Short communication ChemXpress, Volume: 10( 2), april 2017

Laurent Jaeken, Department of Applied Engineering, Karel de Grote University College, Antwerpen, Belgium

 
Résumé : 

Une cellule est-elle un ensemble colloïdal avec des coefficients de distribution et d'adsorption à titre de paramètres physico-chimiques de base autorisant un processus bioénergétique à entropie négative basée sur la cohérence, telle que proposé par Schrödinger en 1944? Ou une cellule possède-t-elle de l'eau ordinaire avec de petits solutés notamment des ions K + en solution, et délimitée par une membrane dans laquelle se trouvent des pompes à ions, qui doivent continuellement s'opposer à des fuites passives. Cette dernière vue, appelée «théorie des pompes membranaires» (MPT) est le fondement de toute la physiologie actuelle et la biologie cellulaire, mais elle est énergiquement impossible. La théorie MPT a été réfutée par Ling pendant les années 60 et 70 mais elle est malheureusement demeurée inconnue. Ling a développé un modèle colloïde complet pour la cellule vivante, avec un ensemble complet de nouvelles équations validées expérimentalement. Tous les principes fondamentaux de la théorie de Ling, dénommée «association-induction-hypothesis»(AIH) sont démontrés expérimentalement. En outre, la théorie AIH est capable d'expliquer les nouvelles données physiques contemporaines sur le comportement cohérent des cellules alors que la théorie MPT est incompatible avec ces données.


 

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