Le tabac, la nicotine et la santé

BULLETIN
DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
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Le tabac, la nicotine et la santé
par Alfred MATHIS
Lycée Jean Rostand - 67000 Strasbourg
[email protected]
RÉSUMÉ
Autour du thème « la fumée de cigarette nuit gravement à la santé » cet article développe l’action de la nicotine et de quelques autres constituants de la fumée de cigarette
sur la santé de l’homme. Ces mêmes constituants permettent également d’illustrer certains chapitres de nos cours de chimie.
INTRODUCTION
Le tabac est responsable d’environ 30 % des cas de décès par cancer, en particulier
des poumons. Diverses études scientifiques, réalisées depuis plus de soixante ans, démontrent le pouvoir cancérogène de la fumée de tabac.
1. HISTOIRE DU TABAC
C’est à la fin du XVe siècle que fût découvert, lors du premier voyage de Christophe
COLOMB, sur les côtes de Cuba, le tabac.
Jean NICOT (1530-1600), diplomate, introduisit officiellement le tabac en France
pour ces vertus stimulantes. Un timbre français, de 1961, honore la mémoire de Jean
NICOT (cf. figure 1).
Figure 1 : Hommage à Jean NICOT.
Jusqu’à la Révolution française on prêtait au tabac des vertus médicinales et on abusait du tabac sous toutes ses formes en prisant, chiquant ou en fumant la pipe. MOLIÈRE
fait l’éloge du tabac dans les « Fourberies de Scapin » en faisant dire à SGANARELLE que
« fumer est le plaisir des honnêtes gens, et qui vit sans tabac est indigne de vivre ». Ceci
n’est certainement plus d’actualité.
La cigarette n’est apparue qu’au XIXe siècle et depuis sa consommation n’a cessé de
progresser.
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2. COMPOSITION DU TABAC
Le tabac est une plante de la famille des solanacées, du genre NICOTIANA et d’espèce TABACUM dont les racines produisent des alcaloïdes qui sont ensuite emmagasinés dans les feuilles.
L’alcaloïde prépondérant est la nicotine dont le rôle n’est pas encore tout à fait élucidé. Elle pourrait être : une réserve d’azote, un répélant pour les insectes ou un agent
anti-infectieux pour la plante. On trouve également, mais en quantité bien moindre, de la
nornicotine et de l’anatabine [1]. La figure 2 donne les formules de ces trois substances.
Nicotine
Nornicotine
Anatabine
Figure 2 : Quelques alcaloïdes du tabac.
La composition quantitative de la feuille de tabac varie avec l’origine géographique
du tabac. En moyenne on a la composition suivante (% en masse) donnée par le tableau 1
[2, 3] :
Glucides
Acides organiques
Composés azotés dont 0,4 à 4 % de nicotine
Polyphénols
Composés minéraux
Isoprénoïdes
Résines : terpénoïdes, polystérols, polyènes, paraffines, lipides, esters, …
50 %
10 %
10 %
30 %
Tableau 1
3. LA FUMÉE DE TABAC
3.1. Formation de la fumée de tabac
La zone de combustion peut atteindre une température de 990 °C. La plupart des
constituants du tabac subissent alors des réactions de pyrolyse sous forme d’oxydation,
de déshydrogénation, de craquage, de réarrangement et de condensation pour donner une
multitude de composés dont certains sont très toxiques.
Actuellement on dénombre plus de 4 000 composés dans la fumée de tabac.
La fumée de tabac est un aérosol liquide et solide (suspension des particules liquides
et solides dans un gaz).
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La composition de la fumée dépend des conditions de température et d’oxygénation.
Lorsque le fumeur « tire » sur la cigarette la combustion est attisée, on parle alors de courant de fumée centrale ou principale. Entre les aspirations des fumées la température du
cône de combustion n’est plus que d’environ 600 °C. On parle alors de fumée latérale ou
secondaire. C’est cette combustion qui préoccupe les fumeurs passifs. Ces types de
fumées sont représentés sur la figure 3.
Figure 3 : Les fumées de la cigarette.
Les deux types de fumées n’ont pas la même composition.
3.2. Composition chimique de la fumée centrale de tabac
Le tableau 2 donne la composition moyenne de la fumée centrale de tabac.
Constituants principaux
Diazote N2
Dioxygène O2
Dioxyde de carbone CO2
Monoxyde de carbone CO
Cyanure d’hydrogène HCN
Vapeur d’eau
Goudrons
% massique
50 - 60
10 - 15
8 - 14
0,16
10 - 20
Tableau 2
Le tableau 3 (cf. page ci-après) indique les quantités de quelques substances produites en moyenne par la combustion d’une seule cigarette. Ces caractéristiques varient
avec les conditions de combustion et des caractéristiques de la cigarette telles que sa
masse, sa longueur, la porosité du papier et la nature du tabac utilisé.
La fumée « latérale » contient, en moyenne, environ :
♦ 5 fois plus de monoxyde de carbone ;
♦ 4 fois plus de benzo(a)pyrène ;
♦ 3 fois plus de goudrons et de nicotine ;
♦ 30 fois plus d’amines aromatiques ;
que la fumée centrale [2, 3].
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Constituants
Monoxyde de carbone CO
Nicotine
Oxydes d’azote
Cyanure d’hydrogène HCN
Goudrons
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Masse (mg)
15 - 40
0,1 - 2,8
0,1 - 0,6
0,4 - 0,5
0,9 - 50
Tableau 3
4. ACTION DE LA NICOTINE SUR L’ORGANISME HUMAIN
4.1. La nicotine
La nicotine est, à température ambiante, une substance liquide huileuse, avec une
température d’ébullition de 246-247 °C sous la pression atmosphérique ambiante. Il
s’agit de la 3-(1- méthyl-2-pyrrolidinyl) pyridine.
Elle a été isolée la première fois en 1828 par REIMANN et POSSELT [4]. En 1843
MELSENs établit la formule C10H14N2 de façon empirique [1]. Mais ce n’est qu’un demi
siècle plus tard que Adolf PINNER réussi, en 1893, à élucider la structure de la nicotine
telle que nous la connaissons actuellement. La première synthèse totale fut réalisée en
1905 par Raoult PICTET [1, 5].
Dans la nature la synthèse se fait à partir de deux acides aminés :
♦ l’ornithine ou acide 2,5-diaminovalérique H2N-CH2-CH2-CH2-CH(NH2)COOH conduisant à la pyrrolidine ;
♦ l’acide aspargique HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH conduisant par réaction avec le glycérol à l’acide nicotinique ;
♦ une condensation, décarboxylation et une méthylation donnent ensuite la nicotine.
La nicotine a une odeur âcre ressemblant un peu à celle de la pyridine et un goût
très amer. L’amertume est souvent associée à la présence, en particulier d’alcaloïdes, tels
la nicotine ou la strychnine, qui sont des poisons.
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La nicotine présente deux constantes d’acidité :
♦ pK A(1) = 6,16 correspondant au couple :
♦ pK A(2) = 10,9 correspondant au couple :
La nicotine naturelle correspond exclusivement à l’ énantiomère (S) donné par la
formule ci-dessous [6] :
La toxicité de l’isomère (S) est beaucoup plus grande que celle de l’isomère (R) [5].
4.2. Absorption par l’organisme humain
Environ 30 % (en masse) de la nicotine présent dans le tabac d’une cigarette se
retrouve dans le courant de fumée centrale, ce qui correspond à 0,03 - 0,84 mg de nicotine. Cette dernière est le plus souvent adsorbée sur de petites particules de goudron et
absorbée par l’organisme à 90 % à travers les poumons.
C’est dans le foie que 90 % de la nicotine absorbée est décomposée par oxydation,
par exemple en acide nicotinique, assez rapidement puisque le temps de demie vie de la
nicotine dans le sang est environ de deux heures. Le principal métabolite de cette oxydation est la cotinine que l’on retrouve alors dans les urines.
Formule de la cotinine
Les 10 % restant sont éliminés, sans dégradation, via les reins par les urines.
Lors d’un empoisonnement, la présence de cotinine dans les urines permet de penser à un empoisonnement à la nicotine.
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4.3. Toxicité de la nicotine
La nicotine peut être absorbée par inhalation (cigarette), par ingestion et par les
muqueuses (tabac mâché ou prisé). Elle provoque une stimulation mais suivie d’une
dépression des muscles et du système nerveux central. Pour un adulte l’ingestion de 40
à 60 mg de nicotine est mortelle. La mort survient généralement par paralysie des muscles
respiratoires [7]. La nicotine fait donc partie des alcaloïdes très toxiques [8]. Des solutions aqueuses à base de sels de nicotine étaient utilisées comme insecticide.
4.4. Action générale sur l’organisme
C’est la libération d’adrénaline ou épinéphrine, à partir des glandes surrénales, provoquée par la nicotine, qui est à l’origine des effets sur l’organisme.
La nicotine provoque une vaso constriction des vaisseaux sanguins périphériques ce
qui provoque une augmentation de la fréquence des battements cardiaques avec augmentation de la tension artérielle et une diminution de l’irrigation sanguine des extrémités. Il s’en suit une diminution de la température superficielle de la peau aux extrémités
ce qui peut être facilement observé par thermographie [9]. Une conséquence de la diminution de l’irrigation sanguine de la peau sera son vieillissement prématuré.
La nicotine modifie également le métabolisme des saccharides et des lipides conduisant à une augmentation du cholestérol et d’acides gras libres dans le sang, d’où détérioration des parois internes des vaisseaux sanguins [10].
Ainsi, sous l’action de la nicotine, l’hydrolyse enzymatique complète, dans le foie,
du glycogène (polysaccharide) donne uniquement du glucose ce qui provoque une augmentation de la glycémie.
4.5. Action sur le système nerveux végétatif
En petite quantité la nicotine stimule l’activité des ganglions du système nerveux
végétatif, les terminaisons des nerfs moteurs, les muscles moteurs et le système nerveux
central.
Cette stimulation provient du fait que la nicotine peut remplacer l’acétylcholine
dans les phénomènes de transmission des informations nerveuses (synapses).
Mais en quantité plus grande la nicotine bloque la transmission des informations
nerveuses parce qu’elle se dégrade plus lentement que l’acétylcholine. Il apparaît ici une
éventuelle possibilité d’utilisation de la nicotine comme produit antalgique [11]. Cependant, compte tenu de ses autres effets nocifs, on ne l’utilise pas en tant que tel. Des chercheurs des laboratoires Abbott ont développé des dérivés, tel le ABT 594 (R 5-(2-azétidinylméthoxy) 2-chloropyridine) qui est cependant beaucoup moins toxique que la nicotine
tout en ayant les mêmes propriétés antalgiques [12].
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Formule du ABT 594
4.6. Action sur le cerveau
Lors de l’inhalation de la fumée de tabac 25 % (masse) de la nicotine inhalée arrive
au cerveau en huit secondes seulement. Là elle réagit avec les récepteurs nicotiniques
spécifiques et provoque la libération de dopamine dans le sang. La dopamine est le neurotransmetteur du plaisir.
Formule de la dopamine
C’est cette substance qui crée la dépendance. L’absence de son déversement dans le
sang provoque l’effet de manque lorsque le fumeur essaye de s’arrêter.
Des recherches récentes ont montré que la nicotine pouvait, en activant la formation
de la dopamine, réduire le risque de la maladie de Parkinson [13]. La nicotine stimule
aussi la formation d’acétylcholine ce qui permet également de lutter contre la maladie
d’Alzheimer où apparaît justement un manque d’acétylcholine ce qui explique le dysfonctionnement de la transmission des informations nerveuses. L’idéal sera de trouver
une molécule qui libère la dopamine sans avoir les effets indésirables de la nicotine sur
la circulation sanguine.
5. LES AUTRES PRINCIPAUX CONSTITUANTS DE LA FUMÉE DE TABAC
5.1. Généralités
Les fumées de tabac contiennent des substances connues pour leurs propriétés cancérogènes chez l’animal et chez l’homme. Parmi celles-ci on peut citer : le benzène, le
4- aminodiphényle et le 2- aminonaphtalène. D’autres, telles les hydrocarbures polycycliques aromatiques (goudrons) sont soupçonnées d’être cancérogènes pour l’homme. La
figure 4 donne quelques exemples de ces produits.
Benzo(a)pyrène
Benz(a)anthracène
5-méthylchrysène
Figure 4 : Quelques « goudrons » de la fumée de tabac.
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5.2. Le monoxyde de carbone
Il est responsable de l’hypoxie, c’est-à-dire de la diminution de la quantité d’oxygène distribuée aux tissus par le sang, chez les fumeurs. Car le monoxyde de carbone se
fixe à la place du dioxygène sur l’hémoglobine du sang en formant la carboxyhémoglobine complexe beaucoup plus stable que l’oxyhémoglobine [14].
5.3. Les oxydes d’azote NOx
L’oxyde d’azote NO et le dioxyde d’azote NO2 sont à l’origine de la formation de
N-nitrosoamines (groupement –N-N=O) qui sont souvent très fortement cancérogènes.
Une expérience simple permet la mise en évidence d’oxydes d’azote dans la fumée
de cigarette en utilisant le montage de la figure 5.
Figure 5 : Mise en évidence expérimentale des oxydes d’azote.
Le réactif de diazotation peut être préparé de la façon suivante :
♦ solution A : acide sulfanilique dans de l’acide éthanoïque (solution à 1 % en masse) ;
♦ solution B : -1 aminonaphtalène en solution saturée dans l’acide éthanoïque ;
le réactif est obtenu en mélangeant des volumes égaux des solutions A et B.
Lors du passage d’oxydes d’azote dans le réactif, encore appelé réactif de Lunge, il
apparaît la coloration rouge du dérivé azoïque alors formé.
5.4. Les nitrosoamines
Dans le tabac on trouve des nitrosoamines telle la NNA ou 4- (méthylnitrosoamino)4-(3-pyridyl) butanal :
Formule de la NNA
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Elles subsistent pratiquement toutes au cours de la combustion du tabac et sont donc
directement inhalées. Ce sont les composés les plus abondants parmi ceux qui sont responsables de l’action cancérogène de la fumée de tabac.
5.5. Le cyanure d’hydrogène
Sa toxicité provient du fait de son action de blocage de l’enzyme respiratoire cytochromoxydase, ce qui empêche le transfert d’oxygène de l’oxyhémoglobine vers les tissus.
Son taux est plus faible dans le courant de fumée latérale que dans le courant de
fumée centrale. Il est, en partie, déjà métabolisé dans la salive en ion thiocyanate SCN -.
Le dosage de ces derniers dans la salive peut donner une indication du degré d’inhalation de la fumée.
6. AUTRES UTILISATIONS DU TABAC
Des chercheurs de l’Inserm (Institut national de la santé et de la recherche médicale)
ont réussi, grâce à des manipulations génétiques, à faire produire, par des plants de tabac,
de l’hémoglobine humaine. Cette dernière se trouve en particulier dans les racines des
plantes de tabac [15].
Avant son utilisation comme sang artificiel, il reste cependant encore du chemin à
parcourir. En effet, il faudra trouver des moyens efficaces de séparation et de purification
de cette hémoglobine.
7. LE SEVRAGE TABAGIQUE
Le principe du sevrage est de pouvoir s’arrêter de fumer sans ressentir les symptômes de manque tels que nervosité, irritabilité, agressivité, … Il existe actuellement deux
méthodes de sevrage :
♦ l’utilisation de substituts nicotiniques ;
♦ la prise de médicaments anti-tabac.
7.1. Les substituts nicotiniques
Ces substituts à la cigarette existent sous diverses formes : gomme à mâcher, tablette
sublinguale, dispositif transdermique ou patch ou inhalateur et spray nasal.
Ces substituts permettent une libération plus ou moins progressive de nicotine, qui
se retrouvera dans le sang, et ceci sur une durée plus ou moins longue qui peut atteindre
jusqu’à 24 heures avec les patchs. Attention avec ces produits, il peut y avoir des effets
secondaires dus à la toxicité de la nicotine.
7.2. Médicament anti-tabac
Le principe d’action de ces médicaments est de bloquer les récepteurs nicotiniques
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du cerveau, encore appelés sous unités béta 2. La nicotine ne pouvant plus se fixer la
dopamine ne sera plus déversée dans le sang ce qui devrait diminuer la dépendance à la
nicotine [16].
Un des médicaments de ce type utilisé en France depuis peu est le Zyban, ou chlorhydrate de bupropion de dénomination commune internationale (DCI) amfébutamone
[17]. Il se présente sous une forme galénique à libération prolongée.
7.3. Suivi du sevrage
Il existe des tests, tel celui de Fagerström, qui permettent de suivre l’évolution de
la dépendance à la nicotine et donc d’adapter le traitement [18].
CONCLUSION
L’étude du tabac et de la nicotine en particulier, offre la possibilité de combiner,
avec un produit de tous les jours, la chimie à différents niveaux et la biologie.
Cette chimie doit aussi permettre de rendre attentif nos élèves aux dangers du tabac.
BIBLIOGRAPHIE
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[2] HUBERT M. et KOKEL B. Tabac et cancers - Acquis et perspectives. L’Actualité Chimique, 1991, n° 6, p. 403.
[3] KUTTENBERG Ch. Der blaue Dunst. Chemie und Schule, 2000, 15/3, p. 15.
[4] BOUANT E. Nouveau dictionnaire de chimie. Librairie Baillière, 1889, p. 644.
[5] 100 Jahre Nikotinformel. CLB Memory, 1993, 44/6, p. 48.
[6] ELIEL E. L. et WILEN S. H. Stéréochimie des composés organiques. Tec et Doc,
1994, p. 27.
[7] LAUWERYS R. Toxikologie industrielle et intoxications professionnelles. Masson, 3e
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[8] WIRTH W. et GLOXHUBER THIEME Ch. Toxikologie. 4e édition, ThiemeVerlag, 1985,
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fumes ? », p. 14.
[10] STRUBELT O. Gifte in unserer Umwelt. DVA Verlag, p. 227.
[11] NATALI J.-P. Comment soigner les douleurs aujourd’hui. Revue du Palais de la
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[12] Schmerzlos ohne Sucht. CLB, 1998, 49/4, p. 154.
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[13] Hoffnung für das Hirn. Chemie (Oesterreich), 1998, 1, p. 22.
[14] MATHIS A. Éléments de toxicologie. Bull. Un. Phys., décembre 2000, vol. 94, n° 829,
p. 2009-2022.
[15] Menschlisches Hämoglobin aus transgenem Tabak. CLB, 1998, 49/4, p. 150.
[16] La pilule anti-tabac en vue. Eureka, 1998, 29, p. 26.
[17] La Revue Prescrire, 2001, 21/221, p. 652.
[18] http://www.arc.asso.fr/test.htm
SUR LA TOILE
Site intéressant à consulter :
http://www.ens-lyon.fr/~gbouchon/projet/index2.html
Alfred MATHIS
Professeur de physique-chimie
Lycée Jean Rostand
Strasbourg (Bas-Rhin)
Vol. 97 - Avril 2003
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