Habituellement, l’hydrolyse est un processus chimique dans lequel une molécule d’eau est ajoutée à une substance. Parfois, cet ajout provoque la division de la substance et de la molécule d’eau en deux parties. Dans de telles réactions, un fragment de la molécule cible (ou molécule mère) gagne un ion hydrogène. Il rompt une liaison chimique dans le composé.
Selsedit
Un type d’hydrolyse courant se produit lorsqu’un sel d’un acide faible ou d’une base faible (ou des deux) est dissous dans l’eau. L’eau s’ionise spontanément en anions hydroxydes et en cations hydronium. Le sel se dissocie également en ses anions et cations constitutifs. Par exemple, l’acétate de sodium se dissocie dans l’eau en ions sodium et acétate. Les ions sodium réagissent très peu avec les ions hydroxyde alors que les ions acétate se combinent avec les ions hydronium pour produire de l’acide acétique. Dans ce cas, le résultat net est un excès relatif d’ions hydroxydes, donnant une solution basique.
Les acides forts subissent également une hydrolyse. Par exemple, la dissolution de l’acide sulfurique (H2SO4) dans l’eau s’accompagne d’une hydrolyse pour donner de l’hydronium et du bisulfate, la base conjuguée de l’acide sulfurique. Pour une discussion plus technique de ce qui se produit lors d’une telle hydrolyse, voir la théorie acide–base de Brønsted–Lowry.
Les esters et les amidesEdit
Les hydrolyses catalysés par l’acide–base sont très courants; un exemple est l’hydrolyse d’amides ou d’esters. Leur hydrolyse se produit lorsque le nucléophile (un agent de recherche de noyau, par exemple l’eau ou l’ion hydroxyle) attaque le carbone du groupe carbonyle de l’ester ou de l’amide. Dans une base aqueuse, les ions hydroxyles sont de meilleurs nucléophiles que les molécules polaires telles que l’eau. Dans les acides, le groupe carbonyle devient protoné, ce qui conduit à une attaque nucléophile beaucoup plus facile. Les produits pour les deux hydrolyses sont des composés à groupes acides carboxyliques.
La saponification (formation de savon) est peut-être le plus ancien exemple commercial d’hydrolyse d’ester. C’est l’hydrolyse d’un triglycéride (graisse) avec une base aqueuse telle que l’hydroxyde de sodium (NaOH). Au cours du processus, du glycérol se forme et les acides gras réagissent avec la base, les convertissant en sels. Ces sels sont appelés savons, couramment utilisés dans les ménages.
De plus, dans les systèmes vivants, la plupart des réactions biochimiques (y compris l’hydrolyse de l’ATP) ont lieu lors de la catalyse des enzymes. L’action catalytique des enzymes permet l’hydrolyse des protéines, des graisses, des huiles et des glucides. À titre d’exemple, on peut considérer les protéases (enzymes qui facilitent la digestion en provoquant l’hydrolyse des liaisons peptidiques dans les protéines). Ils catalysent l’hydrolyse des liaisons peptidiques intérieures dans les chaînes peptidiques, par opposition aux exopeptidases (une autre classe d’enzymes, qui catalysent l’hydrolyse des liaisons peptidiques terminales, libérant un acide aminé libre à la fois).
Cependant, les protéases ne catalysent pas l’hydrolyse de toutes sortes de protéines. Leur action est stéréo-sélective: Seules les protéines ayant une certaine structure tertiaire sont ciblées car une sorte de force d’orientation est nécessaire pour placer le groupe amide dans la position appropriée pour la catalyse. Les contacts nécessaires entre une enzyme et ses substrats (protéines) sont créés parce que l’enzyme se replie de manière à former une crevasse dans laquelle s’insère le substrat; la crevasse contient également les groupes catalytiques. Par conséquent, les protéines qui ne rentrent pas dans la crevasse ne subiront pas d’hydrolyse. Cette spécificité préserve l’intégrité d’autres protéines telles que les hormones et, par conséquent, le système biologique continue de fonctionner normalement.
Lors de l’hydrolyse, un amide se transforme en un acide carboxylique et une amine ou de l’ammoniac (qui en présence d’acide sont immédiatement convertis en sels d’ammonium). L’un des deux groupes oxygène sur l’acide carboxylique est dérivé d’une molécule d’eau et l’amine (ou ammoniac) gagne l’ion hydrogène. L’hydrolyse des peptides donne des acides aminés.
De nombreux polymères polyamides tels que le nylon 6,6 s’hydrolysent en présence d’acides forts. Le processus conduit à la dépolymérisation. Pour cette raison, les produits en nylon échouent en se fracturant lorsqu’ils sont exposés à de petites quantités d’eau acide. Les polyesters sont également sensibles à des réactions similaires de dégradation des polymères. Le problème est connu sous le nom de fissuration sous contrainte environnementale.
ATPEdit
L’hydrolyse est liée au métabolisme et au stockage de l’énergie. Toutes les cellules vivantes nécessitent un apport continu d’énergie pour deux objectifs principaux: la biosynthèse des micro et macromolécules, et le transport actif des ions et des molécules à travers les membranes cellulaires. L’énergie dérivée de l’oxydation des nutriments n’est pas utilisée directement mais, au moyen d’une longue séquence de réactions complexes, elle est canalisée dans une molécule spéciale de stockage d’énergie, l’adénosine triphosphate (ATP). La molécule d’ATP contient des liaisons pyrophosphates (liaisons formées lorsque deux unités phosphatées sont combinées) qui libèrent de l’énergie en cas de besoin. L’ATP peut subir une hydrolyse de deux manières: D’une part, l’élimination du phosphate terminal pour former de l’adénosine diphosphate (ADP) et du phosphate inorganique, avec la réaction:
ATP + H
2O → ADP + Pi
D’autre part, l’élimination d’un diphosphate terminal pour donner de l’adénosine monophosphate (AMP) et du pyrophosphate. Ce dernier subit généralement un clivage supplémentaire en ses deux phosphates constitutifs. Il en résulte des réactions de biosynthèse, qui se produisent généralement en chaînes, qui peuvent être entraînées dans le sens de la synthèse lorsque les liaisons phosphate ont subi une hydrolyse.
polysaccharidesmodifier
Les monosaccharides peuvent être liés entre eux par des liaisons glycosidiques, qui peuvent être clivées par hydrolyse. Deux, trois, plusieurs ou plusieurs monosaccharides ainsi liés forment respectivement des disaccharides, des trisaccharides, des oligosaccharides ou des polysaccharides. Les enzymes qui hydrolysent les liaisons glycosidiques sont appelées « glycosides hydrolases » ou « glycosidases ».
Le disaccharide le plus connu est le saccharose (sucre de table). L’hydrolyse du saccharose donne du glucose et du fructose. L’invertase est une sucrase utilisée industriellement pour l’hydrolyse du saccharose en sucre dit inverti. La lactase est essentielle à l’hydrolyse digestive du lactose dans le lait; de nombreux humains adultes ne produisent pas de lactase et ne peuvent pas digérer le lactose contenu dans le lait.
L’hydrolyse des polysaccharides en sucres solubles peut être reconnue comme une saccharification. Le malt fabriqué à partir d’orge est utilisé comme source de β-amylase pour décomposer l’amidon en maltose disaccharidique, qui peut être utilisé par la levure pour produire de la bière. D’autres enzymes amylases peuvent convertir l’amidon en glucose ou en oligosaccharides. La cellulose est d’abord hydrolysée en cellobiose par la cellulase, puis le cellobiose est ensuite hydrolysé en glucose par la bêta-glucosidase. Les ruminants tels que les vaches sont capables d’hydrolyser la cellulose en cellobiose puis en glucose grâce aux bactéries symbiotiques qui produisent des cellulases.
Métal aqua ionsEdit
Les ions métalliques sont des acides de Lewis et, en solution aqueuse, ils forment des complexes aquo métalliques de formule générale M (H2O) nm +. Les ions aqua subissent une hydrolyse plus ou moins importante. La première étape d’hydrolyse est donnée de manière générique sous la forme
M(H2O) nm ++ H2O ⇌ M(H2O) n−1(OH) (m−1) ++ H3O +
Ainsi, les cations aqua se comportent comme des acides en termes de théorie acide-base de Brønsted-Lowry. Cet effet s’explique facilement en considérant l’effet inductif de l’ion métallique chargé positivement, qui affaiblit la liaison O-H d’une molécule d’eau attachée, rendant la libération d’un proton relativement facile.
La constante de dissociation, pKa, pour cette réaction est plus ou moins linéairement liée au rapport charge/taille de l’ion métallique. Les ions à faibles charges, tels que Na +, sont des acides très faibles avec une hydrolyse presque imperceptible. Les gros ions divalents tels que Ca2 +, Zn2 +, Sn2 + et Pb2 + ont un pKa de 6 ou plus et ne seraient normalement pas classés comme acides, mais les petits ions divalents tels que Be2 + subissent une hydrolyse étendue. Les ions trivalents comme Al3+ et Fe3+ sont des acides faibles dont le pKa est comparable à celui de l’acide acétique. Les solutions de sels tels que BeCl2 ou Al(NO3)3 dans l’eau sont sensiblement acides; l’hydrolyse peut être supprimée en ajoutant un acide tel que l’acide nitrique, rendant la solution plus acide.
L’hydrolyse peut aller au-delà de la première étape, souvent avec la formation d’espèces polynucléaires via le processus d’olation. Certaines espèces « exotiques » telles que Sn3 (OH) 42+ sont bien caractérisées. L’hydrolyse a tendance à se dérouler à mesure que le pH augmente conduisant, dans de nombreux cas, à la précipitation d’un hydroxyde tel que Al(OH) 3 ou AlO (OH). Ces substances, constituants majeurs de la bauxite, sont connues sous le nom de latérites et sont formées par lixiviation à partir de roches de la plupart des ions autres que l’aluminium et le fer et par hydrolyse ultérieure de l’aluminium et du fer restants.