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BIOCHIMIE

La biochimie (mot créé en 1903 par Neuberg) est la discipline scientifique qui explore, chez les êtres vivants, les réactions chimiques qui, par leur juxtaposition et leurs interactions, permettent le maintien de l’état vivant. Cet état est caractérisé par la capacité de reproduction d’autres êtres vivants identiques aux organismes parentaux. La biochimie peut être considérée comme une branche, devenue autonome, de la chimie organique: elle a d’ailleurs en France longtemps porté le nom de chimie biologique. La biochimie tire ses plus lointaines origines de spéculations sur le rôle de l’air dans l’utilisation des aliments et sur la nature de la fermentation: Léonard de Vinci, dès le XV^e siècle, comparait la nutrition animale et la combustion.

Cependant, ce n’est qu’au cours des XIX^e et XX^e siècles que furent posées quatre sortes de questions fondamentales auxquelles des réponses, aujourd’hui encore partielles, ont été données par la méthode expérimentale:

– Quelles sont les structures chimiques des molécules présentes chez les êtres vivants? Quelles sont celles qu’un être vivant peut synthétiser et quelles sont celles qu’il doit puiser dans son environnement? Cette première série de questions constitue un important chapitre de la biochimie: la biochimie structurale.

– Quelles sont les réactions chimiques qui permettent à la cellule vivante de synthétiser les molécules qui la constituent? Comment s’effectue la régénération de ces molécules? D’où provient l’énergie chimique nécessaire à ces synthèses? Ce chapitre constitue la biochimie métabolique, dont l’énergétique biochimique est un sous-ensemble particulièrement important.

– Quelles sont les molécules et quelles sont les réactions chimiques qui permettent à un être vivant d’exercer sa propriété essentielle d’autoreproduction? En d’autres termes, comment se transmet et s’exprime le message génétique? Cette biochimie génétique, appelée le plus souvent – et à tort – biologie moléculaire, est actuellement en pleine expansion.

– Chez les êtres pluricellulaires, par quelles molécules et par quels mécanismes les différentes cellules peuvent-elles s’informer mutuellement, échanger des messages, élaborer des molécules leur permettant de résister à des agressions extérieures? C’est le domaine de la biochimie de l’information cellulaire, éventuellement confondue avec l’endocrinologie et l’immunologie.

1. Biochimie structurale

La biochimie structurale nous apprend aujourd’hui que les êtres vivants sont constitués de quatre grandes catégories de molécules: les protéines, les glucides, les lipides et les acides nucléiques.

Les protéines , molécules de tailles très variables, sont formées de la combinaison de vingt molécules de petites tailles, les acides aminés: le premier isolé, l’asparagine, fut purifié dès 1906 par Vauquelin, alors que le dernier isolé, la thréonine, ne fut caractérisé qu’en 1935 par Rose. Les acides aminés sont synthétisés par les êtres vivants, à partir d’autres molécules, par des réactions chimiques aujourd’hui presque entièrement élucidées. Cependant, tous les êtres vivants ne peuvent synthétiser tous les acides aminés: c’est ainsi que l’homme a besoin que huit d’entre eux lui soient apportés par l’alimentation. Les protéines alimentaires fournissent ces acides aminés indispensables. Définies dès 1838 par Mulder, les protéines synthétisées par les êtres vivants sont extrêmement nombreuses. On ne connaît aujourd’hui qu’un petit nombre d’entre elles, et dans un nombre limité d’espèces animales ou végétales. Le problème posé par l’étude de la structure de ces protéines est relativement simplifié par le fait qu’il existe une parenté structurale – ou homologie – entre des protéines ayant la même fonction biologique mais provenant d’espèces animales différentes. Certaines de ces protéines, les enzymes, ont des propriétés particulières: elles catalysent des réactions chimiques leur permettant de s’effectuer à la pression atmosphérique et à une température compatible avec la survie des êtres vivants (37 ⁰C environ chez l’homme).

La première protéine cristallisée fut l’hémoglobine (en 1864, par Hoppe-Seyler). Les structures protéiques d’abord étudiées par diffraction des rayons X sur des protéines cristallisées (Perutz et Kendrew, en 1957, pour la myoglobine) le sont aujourd’hui par une méthode physique puissante: la résonance magnétique nucléaire .

Les glucides , ou sucres, forment des réserves énergétiques (l’amidon chez les végétaux, le glycogène chez les animaux) qui sont constituées de l’assemblage de molécules simples tel le glucose, le carburant énergétique majeur dans les espèces animales. Certains glucides sont également greffés sur des molécules protéiques, d’autres (le désoxyribose ou le ribose) sont des constituants des acides nucléiques.

Les lipides sont des molécules constitués d’éléments hydrophobes (les acides gras, qui sont des acides organiques à longue chaîne aliphatique), condensés par des liaisons esters à des alcools (le glycérol, le cholestérol, etc.). Les lipides simples, ou triglycérides, constituent la principale forme de réserves énergétiques des animaux. D’autres lipides constituent les membranes biologiques des cellules ou de certains organites intracellulaires.

Les acides nucléiques sont des constructions formées par l’assemblage de nucléotides, eux-mêmes constitués par l’association d’un glucide, d’un groupement phosphoryle et d’une base. Il existe deux types d’acides nucléiques: les acides désoxyribonucléiques ou ADN, qui contiennent du désoxyribose, et les acides ribonucléiques ou ARN, qui contiennent du ribose. L’ADN est le support du message génétique, alors que les divers ARN interviennent dans la synthèse des protéines.

La biochimie structurale a grandement bénéficié du développement de méthodes analytiques qui permettent la séparation et le dosage des divers constituants cellulaires. Parmi ces méthodes, il faut indiquer l’électrophorèse , qui permet la séparation, dans un champ électrique, de molécules chargées, et la chromatographie . Cette dernière méthode, inventée en 1906 par le botaniste russe Mikhaïl Tswett, resta dans l’oubli jusqu’en 1931. Elle permet de séparer des substances sur des supports divers (le papier dans la version la plus simple) en utilisant le partage différentiel de la substance à isoler entre le support et une phase mobile faite de mélanges de solvants organiques. En modifiant les supports ou les phases mobiles, de nombreuses méthodologies très performantes ont été développées: la chromatographie en phase gazeuse pour les produits volatils ou rendus volatils par réactions chimiques diverses, la chromatographie de haute résolution (ou HPLC), la chromatographie sur filtre moléculaire, la chromatographie hydrophobe, la chromatographie d’affinité, enfin, qui utilise une liaison spécifique de la molécule à purifier avec un produit chimique, un anticorps. L’enzymologie (ou étude des enzymes) constitue une branche de la biochimie structurale; elle a nécessité le développement de nombreux outils spécifiques: la spectrophotométrie , qui utilise les propriétés d’absorption lumineuse de divers solutés, les méthodes immunochimiques de marquage ou de purification, qui sont largement utilisées dans la chimie des protéines.

Malgré ces larges développements technologiques, la biochimie structurale reste un vaste champ d’investigation, et nous ignorons encore la structure précise, c’est-à-dire la séquence en acides aminés, et la structure spatiale de la plupart des protéines animales et végétales. Malgré d’incessantes découvertes de protéines qui agissent, en particulier, sur la division cellulaire (oncogènes et suppresseurs de tumeurs), notre ignorance est grande, car nous sommes encore loin de l’obtention d’un catalogue exhaustif des protéines qui existent dans la nature. Et pourtant, dès qu’une protéine est purifiée, sa structure et même la structure du gène qui commande sa synthèse sont rapidement élucidées. D’autres méthodologies, en particulier le décryptage du génome dans plusieurs espèces (homme, levure, Haemophilus influenzae , virus) aideront sans doute les biochimistes structuraux à réaliser ce qui n’est actuellement qu’un rêve: avoir un catalogue exhaustif de tous les produits (protéines et autres) qui sont présents dans les cellules vivantes.

2. Biochimie métabolique

La biochimie métabolique a longtemps constitué le champ privilégié d’investigation des biochimistes. L’isolement, en 1833 par Payen et Perzoz, de l’amylase, enzyme pouvant scinder l’amidon, a montré l’importance des réactions chimiques catalysées par des enzymes dans le métabolisme intermédiaire, c’est-à-dire dans l’ensemble des réactions chimiques permettant soit l’extraction de l’énergie présente dans les carburants cellulaires (glucose, acides gras, corps cétoniques), soit la transformation ou la biosynthèse des constituants cellulaires. La première mise en évidence d’une réaction chimique provoquant une transformation biologique date de 1783: Spallanzani mit alors en évidence la digestion de protéines par l’estomac ou, plus exactement, par les fluides sécrétés par la muqueuse gastrique (suc gastrique). Peu à peu, les grandes voies métaboliques seront découvertes, tous les intermédiaires réactionnels isolés et purifiés. C’est ainsi que seront élucidés les mécanismes de production de l’énergie chimique dans les mitochondries, organites intracellulaires sans doute d’origine bactérienne, utilisés par bon nombre d’êtres vivants comme véritables centrales énergétiques. Chez les animaux, les divers aliments sont transformés dans le tractus digestif sous l’influence d’enzymes salivaires, gastriques, pancréatiques et intestinaux en composés plus simples: les acides aminés, le glucose, les acides gras, etc., qui seront absorbés dans l’intestin grêle et passeront dans le sang. Certains tissus de l’organisme (par exemple, le cerveau chez les mammifères) utiliseront préférentiellement, sinon exclusivement, le glucose comme carburant, alors que d’autres pourront utiliser les acides gras ou les corps cétoniques. Dans tous les cas, ces carburants seront détruits dans les mitochondries en acétate CH³-COOH ou, plus exactement, en un dérivé de l’acétate, l’acétyl-coenzyme A. Celui-là transmettra ses hydrogènes, par une série de réactions chimiques connue sous le nom de cycle de Krebs, à un transporteur nucléotidique, le NAD⁺. Le NADH ainsi formé transmettra hydrogène et électron grâce à une série de transporteurs (les cytochromes) à l’oxygène, avec formation finale d’H²O: cette dernière étape constitue la phase terminale de la respiration cellulaire. Le but final de ces opérations chimiques est de libérer et de fragmenter l’énergie provenant des aliments en petites quantités qui seront stockées (puis délivrées aux systèmes de consommation d’énergie) par un autre nucléotide, l’ATP. Toutes les réactions biosynthétiques, qu’il s’agisse de synthèse de protéines, de lipides, de glucides, de nucléotides ou d’acides nucléiques, utiliseront l’énergie contenue dans l’ATP pour réaliser des liaisons chimiques. L’étude des nombreuses réactions de synthèse et le décryptage des nombreuses étapes nécessaires ont mis en évidence le caractère indispensable d’un certain nombre de substances qu’un organisme ne sait pas produire. Ce nombre, très limité pour les bactéries dont les capacités de synthèse sont très considérables, est élevé pour des organismes pluricellulaires, chez l’homme par exemple. Celui-ci doit recevoir dans son alimentation des protéines qui lui apportent des acides aminés dits indispensables, des acides gras dits essentiels, de nombreux métaux (fer, cuivre, molybdène, etc.) et des vitamines. Le premier facteur vitaminique connu fut celui reconnu par Eijkman dès 1897 et dont la carence était à l’origine d’une sévère affection tropicale, le béribéri. Aujourd’hui, de nombreuses vitamines sont connues. Ce sont souvent des cofacteurs indispensables à l’action de certains enzymes (B1, B6, B12, riboflavine, biotine, acide lipoïque, etc.) ou de certaines réactions biochimiques (vitamines K intervenant dans la coagulation sanguine; vitamine D, à la fois vitamine et hormone; vitamine A, nécessaire à la vision crépusculaire; vitamine E; etc.). La biochimie métabolique a nécessité le développement de méthodologies spécifiques visant non plus seulement à définir la structure, mais aussi à déterminer la fonction de certaines protéines, le cheminement de certaines voies métaboliques. Le marquage de certaines molécules par des isotopes radioactifs (carbone 14, soufre 35, tritium, etc.) a permis de révéler certaines transformations métaboliques chez l’animal. Chez l’homme, l’exploration par isotopes stables (carbone 13, azote 15, deutérium, etc.) est plus utilisée, surtout pour vérifier l’existence d’anomalies de voies métaboliques. La biochimie métabolique a permis de découvrir la cause de nombreuses maladies génétiques à transmission autosomique récessive ou dominante, ou à transmission liée au chromosome X. Ces affections sont soit des enzymopathies (une réaction biochimique devient déficiente), soit des anomalies de transport de certaines substances à travers des membranes cellulaires ou d’organites intracellulaires, soit, enfin, des anomalies de protéines structurales. La découverte des mécanismes impliqués a souvent permis l’établissement de thérapeutiques raisonnées de ces affections.

À l’opposé du règne animal, le monde végétal présente quelques particularités biochimiques, la plus notable et la plus anciennement étudiée étant la photosynthèse, qui permet la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique. De nombreux pigments, dont la chlorophylle (purifiée en 1913), permettent la capture des photons et la production, grâce à leur énergie, de glucides, dont l’amidon. Les travaux de Hill (1938) et de Calvin (1948) ont ouvert la voie à l’élucidation des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans la photosynthèse. La biochimie des acides nucléiques et les manipulations génétiques permettent d’espérer une considérable amélioration de la productivité agronomique, permettant peut-être de répondre au considérable accroissement démographique sur le globe terrestre.

3. Biologie moléculaire

La biologie moléculaire est, parmi toutes les branches de la biochimie, celle dont l’expansion est actuellement la plus rapide. Elle s’identifie à l’ensemble des réactions qui permettent l’expression et la transmission du message génétique. C’est donc la biochimie de l’ADN, qui est le vecteur de l’information génétique. L’ADN est connu depuis 1869, mais ce n’est qu’en 1944 qu’Avery, Mac Leod et Mc Carty démontrèrent que l’ADN pouvait être le vecteur de l’information génétique. En 1953, James Watson et Francis Crick proposent un modèle en double hélice de la structure de l’ADN. Ce modèle permettait d’expliquer le mécanisme de la transmission du message génétique d’une cellule à ses deux cellules filles au cours de la division cellulaire, ou mitose: un brin d’ADN est transmis à chaque cellule fille, et le brin complémentaire est synthétisé en utilisant comme matrice de copie le brin d’origine parental. Cette autoreproduction, ou duplication de l’ADN, est extrêmement complexe et fait intervenir de nombreuses protéines et enzymes encore mal connues. Si l’ADN est circulaire chez les procaryotes (cellules sans noyaux définis) et dans les mitochondries des eucaryotes (cellules possédant un noyau), il est linéaire dans les noyaux des eucaryotes. Dans tous les cas, il comporte un squelette qui est formé de désoxyribose et de phosphate, sur lequel se placent des bases (de quatre types seulement: l’adénine, la guanine, la thymine, la cytosine), la première faisant toujours face à la troisième et la deuxième à la quatrième sur les deux brins complémentaires de la molécule d’ADN. La séquence des bases sur l’ADN constitue un langage qui est parfois traduit en langage protéique: trois lettres sur l’ADN codent un message correspondant à un acide aminé. François Jacob et Jacques Monod, en 1961, ont montré que la synthèse protéique s’effectuait en deux étapes: la première étape est la transcription du message contenu dans l’ADN en un message analogue en ce qui concerne la séquence des bases nucléotidiques mais présent dans une molécule d’ARN particulière, l’ARN messager. D’autres molécules d’ARN, les ARN de transfert, transportent les acides aminés au voisinage de l’ARN messager. Un ARN de transfert ne peut porter qu’un seul type d’acide aminé: il porte un triplet de bases (ou anticodon) qui correspond au codon, triplet de bases du messager, copie servile de l’ADN. La seconde étape de la synthèse protéique est celle de la traduction du message génétique en protéine. Le code génétique entièrement élucidé par Nirenberg, Khorana et Ochoa en 1965 s’est révélé universel, valable aussi bien pour “la bactérie que pour l’éléphant”. En fait, il est légèrement différent pour les ADN des mitochondries. En revanche, des différences nettes séparent les procaryotes des eucaryotes; chez les premiers, l’ARN messager est traduit sans avoir été modifié, alors que, chez les eucaryotes, il sera excisé, c’est-à-dire coupé, les bouts ainsi obtenus étant ensuite épissés, c’est-à-dire réunis. La purification, en 1982, des enzymes de restriction a constitué un important tournant dans la biochimie des acides nucléiques. Ces véritables outils chirurgicaux permettent de couper avec précision l’ADN et de réintroduire des fragments de cette molécule dans des organismes étrangers (une bactérie, par exemple) pour en multiplier le nombre de copies, à la faveur de l’opération de clonage dont l’organisme hôte est ensuite l’objet. Cette technologie, dite d’ADN recombinant, a permis la séparation de produits géniques, puis de gènes. C’est une méthode extrêmement puissante dans la plupart des études biochimiques qui concernent les protéines. Par ailleurs, l’amélioration des méthodes de séquençage de l’ADN, c’est-à-dire la détermination de l’ordre des bases dans l’ADN, par Frederick Sanger, et l’automatisation de ces méthodes ont autorisé le séquençage complet du génome humain et d’autres espèces animales. Dès à présent, la fonction de nombreux gènes est déjà connue, grâce à des méthodes génétiques de recherche de liaisons entre des maladies et des chromosomes ou des régions chromosomiques; beaucoup de gènes supposés responsables de certaines maladies héréditaires (ou gènes “candidats”) ont été localisés, puis séquencés.

4. Biochimie de l’information

Cette branche de la biochimie s’intéresse aux mécanismes de communication entre les cellules, ou entre cellules et milieu environnant. Des phénomènes aussi apparemment différents que le chimiotactisme bactérien (pouvoir attractif ou répulsif de certaines substances sur les bactéries) ou le mouvement des spermatozoïdes autour de l’ovule à féconder se traduisent en termes biochimiques très proches. Les cellules des organismes pluricellulaires échangent des messages de trois types: endocrine (des organes spécialisés, dits glandes endocrines, synthétisent et sécrètent des messages chimiques qui agissent sur des cellules ou des organes cibles); paracrine (des cellules adressent des messages chimiques à des cellules situées en leur immédiate proximité); autocrine (les cellules forment des messages pour leur propre usage). Les messages sont reçus soit par la membrane cellulaire, qui possède des récepteurs protéiques spécialisés pour chaque message, soit par des récepteurs situés à l’intérieur de la cellule, le plus souvent dans le noyau. Aussitôt le message reçu, de nombreuses voies biochimiques sont, selon les cas, activées ou inhibées, avec pour résultat une modification de synthèse ou de transformation de protéines intracellulaires. Certains de ces messages modifient l’activité transcriptionnelle de régions spécialisées de l’ADN. L’une des caractéristiques habituelles de ces systèmes est que la réponse de la cellule cible modifie le comportement de la cellule qui a envoyé le message. Cette capacité de régulation est une propriété fondamentale des organismes vivants. Elle est indispensable à la coordination des activités biochimiques intracellulaires. Les mouvements de nombreuses substances organiques ou minérales sont liés à la présence sur la membrane cellulaire de récepteurs spécialisés (par exemple, le récepteur pour le glutamate, qui est un acide aminé neuroexcitateur) ou de canaux ioniques. La pathologie (par exemple, l’anomalie du canal chlore dans la mucoviscidose) ou la thérapeutique (les modificateurs de canaux calciques utilisés en cardiologie, par exemple) ont démontré le rôle essentiel de ces canaux dans la biochimie des êtres vivants. Par ailleurs, la réponse des organismes animaux à des intrusions extérieures, bactériennes ou virales, emprunte des voies biochimiques dont l’élucidation est l’un des buts d’une discipline spécialisée, l’immunologie , que la biochimie informationnelle et la génétique ont profondément transformé.

Enfin, la biochimie, dans la mesure où elle s’attache à déterminer les mécanismes chimiques de la vie, s’est intéressé à l’origine de la vie. Les expériences de Miller (1953) sur l’origine abiotique des composés du vivant ont récemment été complétées par la démonstration de l’action enzymatique possible des ARN, probables précurseurs des molécules “vivantes”.

• 1842; de bio- et chimie

Synonymes :

n. f. Science qui étudie la structure chimique des êtres vivants et les phénomènes chimiques qui accompagnent les diverses manifestations de la vie.

⇒BIOCHIMIE, subst. fém.

Science qui a pour objet l'étude des êtres organisés, ainsi que des phénomènes dont ils sont le siège, du point de vue de la chimie. Synon. chimie biologique. Biochimie comparée, biochimie différentielle (cf. Méd. Biol. t. 1, 1970).

1^re attest. 1838 (Ac. Compl. 1842). Dér. de chimie; préf. bio-. — [].

DÉR. 1. Biochimique, adj. Qui est relatif à la biochimie. — 1^re attest. 1838 (Ac. Compl. 1842); dér. de biochimie, suff. -ique. 2. Biochimiste, subst., néol. Personne spécialisée en biochimie. — 1^re attest. 1920-24 (Roussy dans F. WIDAL, P.-J. TEISSIER, G.-H. ROGER, Nouv. traité de méd., fasc. 5, p. 88); dér. de biochimie, suff. -iste. — Fréq. abs. littér. : 2.

biochimie [bjoʃimi] n. f.

ÉTYM. 1842; de bio-, et chimie.

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♦ Didact. Partie de la chimie, aussi appelée chimie biologique, qui traite des phénomènes vitaux (composition chimique des êtres vivants, réactions chimiques intervenant dans l'organisme). ⇒ Biomécanique, bionique, biophysique. || Biochimie animale. ⇒ Zoochimie (vx).