Pourquoi le deutérium est-il létal pour la plupart des organismes ?

[Geb]

Bonjour,

Le deutérium fut le premier isotope mis en évidence. Il s'agit d'hydrogène dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron. Il a été découvert par Harold Urey en 1932, découverte pour laquelle il a reçu le Prix Nobel de Chimie en 1934.

Cette année-là, dans un article intitulé : "Deuterium and Its Compounds in Relation to Biology", il ferait apparemment état de la létalité du deutérium pour de nombreux organismes. Pourtant, l'eau et l'hydrogène sont, à ma connaissance, indispensables à la survie de tous les organismes vivants connus.

Comment un changement a priori aussi minime ("l'ajout" d'un neutron) peut-il avoir de si grandes conséquences sur les êtres vivants ? Qu'a-t-on appris de neuf sur la question depuis 1934 ? Pourquoi le deutérium et l'eau lourde, qui ne sont pourtant pas radioactifs, sont-ils si délétères ?

Cordialement.
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[Flyingbike]

peut etre parce qu'un changement aussi minime modifie la réactivité de la molécule, et qu'un changement aussi minime de la réactivité peut impacter toutes les réactions biochimiques.

[toothpick-charlie]

sur la page wiki concernant l'eau lourde une piste est évoquée. Je remarque aussi que les propriétés physiques de l'eau lourde sont assez différentes de celles de l'eau, le point de fusion et la viscosité notamment. Ca peut jouer un rôle(?)

[Geb]

Bonjour,

Vos hypothèses sont intéressantes. Je ne sais pas encore le fin mot de l'histoire, mais cela m'intrigue au plus haut point et vos hypothèses demandent vérification. D'autant que tout ce que je peux trouver comme publications scientifiques à ce sujet confirme la létalité du deutérium.

Par exemple, un papier publié dans The International Journal of Applied Radiation and Isotopes :

Biological Fractionation of Isotopes (Bowen, 1960)

[...] Among the more interesting observations which have received special attention are the lethal effect of deuterium on most organisms, the use of C¹²/C¹³ ratios in inferring the biogenic origin of carbon in ancient rocks, O¹⁸/O¹⁶ ratios for determining the temperature of prehistoric seas and S³²/S³⁴ ratios for deciding the date of evolution of sulphur bacteria.

On apprend donc que les isotopes ont très rapidement été utilisés pour 4 choses, dont l'étude de l'effet létale du deutérium sur "la plupart des organismes".

Aussi, un autre extrait intéressant tiré d'un papier publié dans American Scientist :

Chemical and biological studies with deuterium (Katz, 1960)

The discovery of deuterium, the heavy stable isotope of hydrogen of mass 2, by Urey, Brickwedde, and Murphy [1] in 1932 was followed almost immediately by an avalanche of research reports dealing with the chemical and biological properties of deuterium. The early recognition by Urey [2], Lewis [3a] and Taylor et al. [3b] that the extensive replacement of hydrogen by deuterium could very well have far-reaching and dramatic consequences for living organisms provoked a host of miscellaneous studies. These early studies have been the subject of a stimulating and useful review by Morowitz and Brown [4]. Interest in the subject rapidly waned, however, and by 1940 only a very few workers remained in the field. Tracer studies with deuterium of course continued apace, but experimentation involving the replacement of substantial amounts of hydrogen either in chemical compounds or in living organisms became infrequent.

This decline in fortunes of deuterium research was no doubt associated with the excessive scarcity and consequent very high cost of deuterium. The advent of nuclear energy completely changed this situation. [...]

Je vais continuer mes lectures à ce sujet. Si vous trouvez les articles adéquats, je vous prie de nous en faire part.

Cordialement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Alhec]

Je ne sais pas où tu en es, mais un article sur l'importance de l'eau en biologie
http://www.nature.com/nrm/journal/v7...l/nrm2021.html

Ca ne traite pas de l'eau lourde mais ça permet de comprendre pourquoi la moindre altération des propriétés de l'eau peut avoir en théorie des effets dévastateurs. Maintenant il faut étudier les changements de propriétés de l'eau lourde par rapport à l'eau.

[KLASS]

C'est un sujet intéressant que je suivrai avec intérêt. On peut se demander comment peut fonctionner une pompe à proton s'il y a un neutron à côté, donc c'est toute la photosynthèse qu'il faut repenser et le fonctionnement de l'atpase.

[Svenn]

La toxicité du deutérium reste très faible, je crois qu'il faut remplacer 10 ou 20% de l'eau consommée par du D2O pour avoir des problèmes. A ce niveau de doses, plein de produits anodins (le sel par exemple) deviennent toxiques.

Du point de vue biologique, la principale différence entre H et D est que les liaisons hydrogène n'ont pas exactement la même configuration géométrique avec un H ou un D, ce qui peut avoir un effet délétère sur l'activité de certaines enzymes.

[Amanuensis]

Question incidente: il faut combien de temps pour qu'un mélange de 80% de H2O et 20% de D2O devienne un mélange de 64% de H2O, 4% de D2O et 32% de HDO ?

[Svenn]

Comme ça, je dirais que c'est extrêmement rapide et que ça prendrait bien moins d'une seconde ou même d'une milliseconde. Par contre, je pense que la toxicité requiert l'incorporation du deutérium dans les macromolécules et notamment les protéines et pour le coup on passe à des échelles de temps bien plus longues, de l'ordre de l'heure ou plus. Au niveau des acides nucléiques ça ne doit pas être fabuleux non plus étant donné que les paires de Watson Crick sont maintenues par des liaisons H et dans ce cas, ça implique des hydrogènes labiles donc échangeables sur des temps très courts.

[Geb]

Bonjour,

La toxicité du deutérium reste très faible, je crois qu'il faut remplacer 10 ou 20% de l'eau consommée par du D2O pour avoir des problèmes. A ce niveau de doses, plein de produits anodins (le sel par exemple) deviennent toxiques.

J'en conviens, mais ce qui m'a étonné le plus, c'est qu'il s'agit ici d'un isotope naturel et stable d'un composé absolument essentiel pour la vie : l'hydrogène.

Ce qui m'a paru absolument contre-intuitif, c'est que finalement, l'important ce n'est pas d'avoir une source d'hydrogène, c'est d'avoir une source de protium qui est indispensable pour la plupart des formes de vie telle que nous la connaissons, alors que, d'après l'article de Wikipédia, certaines bactéries peuvent vivre avec de l'hydrogène enrichie à 98% en deutérium (mais a priori, pas 100%).

Experiments showed that bacteria can live in 98% heavy water.

D'ailleurs, l'article de Wikipédia en anglais sur l'eau lourde stipule également que, en comparaison, pour les isotopes stables du carbone, de l'azote ou de l'oxygène, on peut aller jusqu'à 100% d'enrichissement sans provoquer la mort d'un organisme, même pour les formes de vie multicellulaires :

Full replacement with heavy atom isotopes can be accomplished in higher organisms with other non-radioactive heavy isotopes (such as carbon-13, nitrogen-15, and oxygen-18), but this cannot be done for the stable heavy isotope of hydrogen.

Malheureusement, il n'y a pas de lien vers une publication scientifique pour justifier cette assertion. Mais en imaginant que ce soit effectivement le cas, tu ne trouves pas ça étonnant ?

Cordialement.

[Svenn]

Il y a une grosse différence entre le couple H/D et les couples C12/C13, N14/N15 ou O16/O18. Dans le cas H/D, il y a un rapport de masse de 2 entre les deux isotopes alors qu'il est aux alentours de 1,1 pour les 3 autres. D est donc significativement moins mobile que H, ...... et au final on arrive à un deutérium qui forme des liaisons (covalentes et hydrogène) plus fortes que l'hydrogène.

Je laisse les chimistes compétents remplacer les ...... par une explication rigoureuse.

Pour parler des autres isotopes, les organismes biologiques préfèrent le C12 au C13 au point que le rapport C12/C13 peut être utilisé pour étudier les écosystèmes. Ca montre bien que pour les systèmes biologiques, C12 et C13 ne sont pas strictement identiques.

[Geb]

Il y a une grosse différence entre le couple H/D et les couples C12/C13, N14/N15 ou O16/O18. Dans le cas H/D, il y a un rapport de masse de 2 entre les deux isotopes alors qu'il est aux alentours de 1,1 pour les 3 autres.

C'est effectivement une explication possible et c'est aussi une des raisons pour lesquelles j'ai créé ce fil de discussion. Je souhaite lire des publications à ce sujet à la fois pour en apprendre les effets sur les organismes vivants (procaryotes comme eucaryotes) et les différences de propriétés entre les deux isotopes qui causent ces effets : des explications rigoureuses comme tu le résumes si bien.

Pour parler des autres isotopes, les organismes biologiques préfèrent le C12 au C13 au point que le rapport C12/C13 peut être utilisé pour étudier les écosystèmes. Ca montre bien que pour les systèmes biologiques, C12 et C13 ne sont pas strictement identiques.

Ce que j'ai lu à ce sujet, c'est qu'il s'agirait dans ce cas d'un enrichissement purement "accidentel" : apparemment, les réactions biochimiques avec le C¹² sont plus "rapides" qu'avec le C¹³, ce qui mènerait à un enrichissement. À noter qu'il y a également des processus purement géochimiques (et donc exclusivement abiotiques) qui mènent à un fractionnement isotopique pour tout un tas d'atomes. Voici un exemple rapporté avec le fer :

Nonbiological fractionation of iron isotopes (Anbar et al., 2000)

Cordialement.

[Flyingbike]

D'ailleurs, l'article de Wikipédia en anglais sur l'eau lourde stipule également que, en comparaison, pour les isotopes stables du carbone, de l'azote ou de l'oxygène, on peut aller jusqu'à 100% d'enrichissement sans provoquer la mort d'un organisme, même pour les formes de vie multicellulaires :



Malheureusement, il n'y a pas de lien vers une publication scientifique pour justifier cette assertion. Mais en imaginant que ce soit effectivement le cas, tu ne trouves pas ça étonnant ?

Cordialement.

Ajouter un neutron a un noyau qui en contient 6, 7 ou 9 a probablement moins d'effet qu'ajouter un neutron a un proton tout seul
Ce n'est pas une explication objective ou scientifique, mais je pense que ça peut expliquer ce fait.

Petite anecdote scientifique cette fois : lorsqu'on utilise des traceurs en recherche, on utilise des isotopes du carbone et de l'hydrogène, entre autres, mais on considère que les isotopes se substituent parfaitement aux formes naturellement prépondérantes. A ce niveau en tout cas, les résultats obtenus ne prennent jamais en compte le fait que des isotopes puissent biologiquement ou chimiquement se comporter différemment.

[Geb]

Bonsoir,

D'ailleurs, l'article de Wikipédia en anglais sur l'eau lourde stipule également que, en comparaison, pour les isotopes stables du carbone, de l'azote ou de l'oxygène, on peut aller jusqu'à 100% d'enrichissement sans provoquer la mort d'un organisme, même pour les formes de vie multicellulaires :

Full replacement with heavy atom isotopes can be accomplished in higher organisms with other non-radioactive heavy isotopes (such as carbon-13, nitrogen-15, and oxygen-18), but this cannot be done for the stable heavy isotope of hydrogen.

Malheureusement, il n'y a pas de lien vers une publication scientifique pour justifier cette assertion.

Mes craintes étaient fondées... Non seulement je n'ai pas retrouvé d'articles qui prouvent que ¹³C, ¹⁵N ou ¹⁸O peuvent être remplacés en totalité dans les organismes "complexes", mais je viens de trouver une étude qui semble indiquer le contraire (même si elle date un peu) :

Isotopic Randomness-Some Fundamental and Applied Aspects (Berezin, 1988)

[…] Numerous studies on heavy water enrichment in living organisms have been undertaken since the 1930s, starting almost immediately after the discovery of deuterium in 1932. In his review of 1960, Katz (18) gives interesting examples of deuteration effects on mice and rats showing that both animals cannot survive replacement of more than about one-third of the body water by D₂O. Most of the changes induced by deuteration (for example, loss of reproductive capacity) are reversible when deuterium is replaced by ordinary hydrogen. Katz (18) also mentioned the possibility of isotopic replacements for stable isotopes of C, O, N, and S. The actual experiments on isotopic replacements in animals for elements heavier than hydrogen have been reported for ¹³C(19) and ¹⁸O.(20) Both experiments succeeded in replacing about 60 percent of all body carbon or oxygen in mice by ¹³C or ¹⁸O (their normal isotopic abundance is 1.1 percent and 0.2 percent, respectively).

La référence 18 (Katz, 1960) a déjà été citée au message #4 de cette discussion.

Les références 19 et 20 de ce court passage sont mentionnées de la sorte :

19. CT Gregg, JY Hutson, JR Prine, DG Ott, and JE Furchner, Life Sci. 13, 775 (1973).

Substantial replacement of mammalian body carbon with carbon-13 (Gregg et al., 1973)

20. D. Wolf, H. Cohen, A. Meshorer, I. Wasserman, and D. Samuel, Stable Isotopes, edited by ER Klein and PD Klein (Academic Press, New York, San Francisco, London, 1979), p. 353.

Le titre de la publication en question est "The effect of oxygen-18 on growth and reproduction time in mice".

Cordialement.

[Dr. Zoidberg]

Non seulement je n'ai pas retrouvé d'articles qui prouvent que ¹³C, ¹⁵N ou ¹⁸O peuvent être remplacés en totalité dans les organismes "complexes", mais je viens de trouver une étude qui semble indiquer le contraire (même si elle date un peu) :

Je ne vois pas bien comment réaliser une expérience pouvant prouver ça (surtout pour un organisme complexe)... Vous imaginez le boulot que ça représenterait et les sommes nécessaires pour prouver quelque chose dont je ne vois pas trop l'utilité. Déjà avoir 60% de ¹³C ou de ¹⁸O dans l'organisme c'est assez énorme, et visiblement ça n'a pas d'effet sur la santé des animaux utilisés. La différence de masse entre les 2 isotopes est probablement trop faible pour que les 2 isotopes aient une influence notable sur le fonctionnement de la molécule dans laquelle ils sont incorporés (contrairement à H pour lequel la masse est doublée).
En plus, pour tout remplacer, il faudrait avoir une atmosphère qu'avec l'isotope lourd pour O2, CO2, N2 selon l'élément considéré, il faudrait que toute l'eau et tous les aliments soient également complètement enrichis... Et pour finir, il faudra attendre que tous les isotopes légers qui étaient présents avant le début de l'expérience aient été rejetés ce qui risque de prendre pas mal de temps (et en plus il faut les éliminer du milieu sinon ils vont contaminer). En gros, beaucoup de travail et de moyen (230$ pour 1 g d'eau avec 97% "seulement" de ¹⁸O) pour un résultat probablement négatif et de portée très limitée à mon sens.