Labiochimie est l'étude desréactions chimiques qui se déroulent au sein desêtres vivants, et notamment dans lescellules. La complexité des processus chimiquesbiologiques est contrôlée à travers lasignalisation cellulaire et les transferts d'énergie au cours dumétabolisme. Depuis un demi-siècle[Quand ?], la biochimie est parvenue à rendre compte d'un nombre considérable de processus biologiques, au point que pratiquement tous les domaines de la biologie, depuis labotanique jusqu'à lamédecine, sont aujourd'hui engagés dans la recherche biochimique, voirebiotechnologique. L'objectif principal de la biochimie de nos jours est de comprendre, en intégrant les données obtenues au niveau moléculaire, comment lesbiomolécules et leurs interactions génèrent les structures et les processus biologiques observés dans les cellules, ouvrant la voie à la compréhension des organismes dans leur ensemble. Dans ce cadre, lachimie supramoléculaire s'intéresse auxcomplexes moléculaires tels que lesorganites, qui constituent un niveau d'organisation de la matière vivante intermédiaire entre les molécules et les cellules.
Les résultats de la biochimie trouvent des applications dans de nombreux domaines tels que lamédecine, ladiététique ou encore l'agriculture ; en médecine, les biochimistes étudient les causes des maladies et les traitements susceptibles de les soigner ; lesnutritionnistes utilisent les résultats de la biochimie pour concevoir desrégimes alimentaires sains tandis que la compréhension des mécanismes biochimiques permet de comprendre les effets descarences nutritionnelles ; appliquée à l'agronomie, la biochimie permet de concevoir desengrais adaptés aux différents types decultures et desols ainsi que d'optimiser le rendement des cultures, le stockage desrécoltes et l'élimination desparasites.
On prête àCarl Neuberg l'introduction de ce terme en 1903 à partir de racines grecques, mais ce terme circulait déjà en Europe depuis la fin duXIXe siècle. Avec labiologie moléculaire et labiologie cellulaire, la biochimie est l'une desdisciplines qui étudient le fonctionnement du vivant. Elle recouvre elle-même plusieurs branches, telles que labioénergétique, qui étudie les transferts d'énergie chimique au sein des êtres vivants, l'enzymologie, qui étudie lesenzymes et les réactions qu'ellescatalysent, ou encore labiologie structurale, qui s'intéresse aux relations entre les fonctions biochimiques des molécules et leur structure tridimensionnelle.
La biochimie s’intéresse également à décrypter les fonctions dumicrobiotehumain.
Environ 25éléments chimiques sur les92 éléments naturels de laclassification périodique sont nécessaires à différentes formes de vie. Les éléments présents à l'état detraces dans le milieu naturel ne sont généralement pas utilisés par les êtres vivants, à l'exception notable de l'iode et dusélénium, tandis que certains éléments abondants tels que l'aluminium ou letitane ne sont pas nécessaires à la vie. La plupart des organismes utilisent les mêmes éléments chimiques, mais il existe quelques différences chez lesplantes et lesanimaux. Par exemple, certainesalguesocéaniques utilisent lebrome tandis que les plantes terrestres et les animaux ne semblent pas en avoir besoin. Tous les animaux ont besoin desodium, mais certaines plantes s'en dispensent. En revanche, les plantes ont besoin debore et desilicium pour se développer, tandis que les animaux ne semblent pas en faire usage.
Les quatre classes principales demolécules biochimiques, également appeléesbiomolécules, sont lesglucides, leslipides, lesprotéines et lesacides nucléiques. De nombreusesmacromolécules biochimiques sont despolymères, constitués de l'assemblage d'unités plus petites appeléesmonomères ; ces monomères sont depetites molécules qu'il est possible de libérer dubiopolymère parhydrolyse. Plusieurs de ces biomolécules sont susceptibles de former des complexes moléculaires de grande taille qui assurent souvent des fonctions biochimiques indispensables à la vie de lacellule.
D'un point de vuechimique, on distingue d'une part lesaldoses, qui sont composés d'une chaîne d'alcools secondaires ayant à une extrémité ungroupealdéhyde, et d'autre part lescétoses, qui possèdent une fonctioncétone dans leur chaîne carbonée, les autres atomes de carbone étant porteurs d'une fonction alcool primaire ou secondaire selon la position.
Deux oses peuvent s'unir à travers uneliaison osidique pour former undiholoside : lesaccharose est un diholoside constitué d'unrésidu de glucose d'un résidu de fructose unis par une liaison osidique (1→2) ; lelactose en est un autre constitué d'un résidu degalactose et d'un résidu de glucose unis par une liaison osidique β(1→4). Au-delà de deux résidus, on parle d'oligosaccharides jusqu'à dix résidus et depolysaccharides au-delà : sont des biopolymères constitués plusieurs résidus osidiques d'oses qui interviennent dans le stockage de l'énergie (amidon,glycogène) et dans la rigidité de certains organismes (cellulose,chitine).
leglycéraldéhyde est l'ose le plus simple dans la classe desaldoses, c'est un aldotriose (C3). De même pour ladihydroxyacétone dans la classe descétoses (cétotriose). Leribose est unaldopentose (C5) qui entre dans la composition des acides nucléiques ;
leglucose (« gluco », du grecglukus, saveur sucrée) est un aldohexose de formule C6H12O6. On le trouve dans les fruits mûrs, lenectar des fleurs, la sève, le sang et certainssirops ;
lefructose (du latinfructus, fruit) appelé aussi lévulose, est un cétohexose. On le rencontre dans les fruits, le miel, dans certaines boissons sucrées et dans les sécrétions séminales ;
lesaccharose (du grecsakkharon, sucre) de formule C12H22O11 est un disaccharide qui donne parhydrolyse du glucose et du fructose. On le trouve dans la plupart des végétaux et en particulier dans labetterave sucrière, lacanne à sucre ;
lemaltose est un disaccharide qui donne par hydrolyse deux molécules de glucose ;
Leslipides, du grec « lipos » (« graisse »), constituent une classe assez hétérogène de molécules. Sont regroupées sous cette dénomination les molécules ayant un caractèrehydrophobe marqué, c'est-à-dire très peusolubles dans l'eau mais solubles dans la plupart dessolvants organiques, comme lechloroforme, par exemple. Nous trouvons aussi des lipides dans la cire de bougie, les graisses animales, l'huile d'olive et pratiquement tous les corps gras. La biochimie a complété cette définition en montrant que les lipides possédaient des voies de synthèse communes. Cependant, il n'existe pas encore de définition unique d'un lipide reconnue par l'ensemble de la communauté scientifique. Ceci tient probablement au fait que les lipides forment un ensemble de molécules aux structures et aux fonctions extrêmement variées dans le monde du vivant[8].
D'un point de vue métabolique, les lipides constituent des réserves énergétiques. Les sucres sont par exemple transformés en lipides et stockés dans lescellules adipeuses en cas de consommation supérieure à l'utilisation.
Les lipides, en particulier lesphospholipides, constituent l'élément majeur desmembranes cellulaires. Ils définissent une séparation entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Leur caractère hydrophobe rend impossible le passage de molécules polaires ou chargées, comme l'eau et les ions, car ils forment des groupes très compacts issus de liaisons covalentes faibles appelées interaction hydrophobe. Seules voies de passage possible : lesprotéines membranaires où, par exemple, les ions entrent et sortent de la cellule par le biais decanaux ioniques.
Plusieurshormones sont des lipides, en général dérivées ducholestérol (progestérone,testostérone, etc.), ce qui permet d'agir comme filtre aux entrées des cellules. Lesvitamines liposolubles peuvent aussi être classées parmi les lipides.
Contrairement auxacides nucléiques ou auxprotéines, les lipides ne sont pas des macromolécules constituées d'une succession d'unités de base.
Les lipides peuvent être classés selon la structure de leursquelette carboné (atomes de carbone chaînés, cycliques, présence d'insaturations, etc.)[9] :
Les phospholipides : lipides qui constituent la membrane cellulaire permettant le passage de certains minéraux ;
lesglycérides etphosphoglycérides : ces lipides sont formés parestérification d'unglycérol et d'un à trois acides gras (ou mono-, di- et triglycérides). Dans le cas des phosphoglycérides, l'estérification se fait avec glycérol, un ou deux acides graset unphosphate[10]. Le groupe phosphate peut à son tour subir une estérification par différentscomposés hydroxylés comme lacholine ou lasérine, donnant respectivement de laphosphatidylcholine et de laphosphatidylsérine.Glycérides etphosphoglycérides sont appelés de façon plus exacteacylglycérols etglycérophospholipides respectivement ;
lessphingolipides : ces lipides résultent de l'estérification puis de l'amidification de la sérine par deux acides gras. Une sous-classe bien connue de sphingolipides est celle des céramides ;
Lesprotéines (du grecprôtos, premier) sont despolymères composés d'une combinaison de quelque20acides aminés. La plupart des protéines sont formées de l'union de plus de100 acides aminés (résidus) reliés entre eux par desliaisons peptidiques. Pour un nombre moins important de résidus on parle depeptides (<50 résidus) et depolypeptides (≥50 résidus).
Laséquence des acides aminés d'une protéine (l'arrangement et l'ordre des résidus) constitue lastructure primaire. Par exemple, pour construire un peptide de10 résidus à l'aide de la collection de20 acides aminés, on dispose de2010 possibilités. Ensolution aqueuse, lesradicaux possèdent des propriétés chimiques différentes. Certains radicaux peuvent former desliaisons chimiques plus ou moins fortes avec d'autres radicaux de la mêmechaîne peptidique. Certains se repoussent et d'autres se rapprochent et forment des liens chimiques. La chaîne d'acides aminés aura donc tendance à se replier sur elle-même pour adopter une structure tridimensionnelle précise. Et cette dernière dépend avant tout de la séquence des acides aminés formant la chaîne. En effet, quatre grands types d'interactions interviennent dans le repliement de la chaîne peptidique :
Ainsi certaines parties de la chaîne peptidique adoptent une structure régulière appelée structure secondaire. On en reconnaît, selon les angles detorsion des liaisons, trois grands types :
l'hélice α : lachaîne peptidique prend la forme d'unespirale. Les différentes spires sont stabilisées par desliaisons hydrogène tous les quatre résidus (liaisons hydrogène dites « intracaténaires ») ;
lefeuillet β : il se forme desliaisons hydrogène entre certains segments (brins β) de lachaîne peptidique disposés parallèlement les uns par rapport aux autres (les liaisons hydrogène sont dites « intercaténaires »). L'ensemble forme comme un feuillet plissé ;
le coude ou « turn » : c'est une structure moins ordonnée qui forme généralement un lien court entre des structures ordonnées (hélice-hélice, feuillet-feuillet ou feuillet-hélice). Une boucle est un lien plus long.
La forme finale de la chaîne peptidique, c’est-à-dire la structure tridimensionnelle qu'adopte la chaîne d'acides aminés, constitue lastructure tertiaire de laprotéine (voir la figure de lamyoglobine en3D).
Certaines protéines, plus complexes, résultent de l'assemblage des différentes chaînes (monomères) ce qui constitue lastructure quaternaire de la protéine. Par exemple, l'hémoglobine est formée de l'association de quatre chaînes peptidiques.
La structure de la protéine peut être dénaturée par plusieurs facteurs, notamment latempérature, lespH extrêmes et l'augmentation de laforce ionique dans le milieu ou par des agents chimiques dénaturants (2-mercaptoéthanol). La dénaturation de lastructure 3D d'une protéine a généralement pour conséquence la perte de sa fonction. On parle de « relation structure-fonction ».
Lesprotéines assurent plusieurs fonctions au sein descellules et de l'organisme, qui sont à l'essence même de la vie. En voici une liste non exhaustive avec quelques exemples :
Pour un total d’environ 20 000 à 25 000 gènes (génome)[12], on estime à un million le nombre deprotéines différentes qui peuvent être produites dans les cellules humaines (protéome)[13]. Le nombre de protéines produites par lecerveau humain, dont le rôle est essentiel pour son fonctionnement, est estimé à environ 12 000[réf. nécessaire].
la fonction autocatalytique : permet l'autoduplication de l'ADN et assure la transmission de l'information d'unegénération à une autre ;
la fonction hétérocatalytique : gouverne lasynthèse protéique. Étant donné que lesenzymes sont desprotéines et que toutes les synthèses et réactions dépendent d'elles, l'ADN contrôle toute l'organisation et les processus biologiques descellules et desorganismes. Ainsi, l'ADN exprime l'information qu'il comprend.
l'acide phosphorique (H3PO4) possède trois fonctionsacides. Deux de ces fonctions sont estérifiées par deux fonctionsalcools portées par les carbones 3' et 5' dupentose. La troisième fonction acide est libre. (On numérote les carbones avec des chiffres accompagnés de l’indication (') pour éviter des confusions avec les numérotations des bases) ;
le pentose (sucre en C5) : c'est leribose, présent sous deux formes, le2'-désoxyribose et le 2'-oxyribose, respectivement dans l'ADN et l'ARN. La liaison pentose-base est uneliaison glycosidique. Elle se forme par élimination d'une molécule d'eau entre la base et l'OH semi-acétalique situé sur le carbone 1' de l'ose. L'association pentose-base est appeléenucléoside ;
les bases nucléiques sont classées enbases pyrimidiques et enbases puriques. Les principales bases pyrimidiques sont : l'uracile (U), lacytosine (C) et lathymine (T). Les principales bases puriques sont : l'adénine (A) et laguanine (G). Les bases puriques et pyrimidiques présentent des formes chimiques interconvertibles appelées formes « tautomères ».
Appariement des bases dans l'ADN double brin.
Dans l'ADN bicaténaire, les bases nucléiques des deux brins s'apparient suivant larègle de complémentarité : A apparié avec T, C apparié avec G. Cet appariement est maintenu grâce à desliaisons hydrogène et peut donc être affecté par la chaleur (dénaturation thermique). Par convention, la séquence d'unacide nucléique est orientée dans le sens de l’extrémité 5' (comportant un groupephosphate) vers l’extrémité 3' qui possède unOH libre. Ainsi, dans l'ADN bicaténaire (double brin), les deux brins sont disposés dans deux sens opposés. Les extrémités 5' et 3' de l'un des brins correspondent aux extrémités 3' et 5' du brin parallèle complémentaire (antiparallèles). Dans l’espace, les deux chaînes présentent une configuration hélicoïdale. Elles s’enroulent autour d’un axe imaginaire pour constituer une double hélice à rotation droite (dans les formesA etB de l’ADN) ou plus exceptionnellement à rotation gauche (dans la formeZ de l’ADN).
Classiquement, on considère que legène est une région d'un brin d'ADN dont la séquence code l'information nécessaire à la synthèse d'uneprotéine. Trois types d'ADN différents constituent legénome (l'ensemble des gènes d'un individu ou d'uneespèce) :
l'ADN « domestique » : représentant environ 75 % dugénome, est formé degènes présents en un seul exemplaire ou en un nombre limité de copies. Toutefois, par extension, ce type d'ADN englobe également certains gènes spécifiques dits à multicopies, comme ceux desARN ribosomiques ou bien ceux codant leshistones. Ces derniers existent sous forme de larges amas de copies (50-10 000 copies) localisés sur un ou plusieurschromosomes ;
l'ADN « répétitif et dispersé » (minisatellites etmicrosatellites) : constitue 15 % du génome et est caractérisé par de courtes séquences nucléotidiques (supérieures à 100 pour les minis), répétées en tandem un très grand nombre de fois (105 - 106 fois), en de nombreuses régions du génome ;
l'ADN « satellite » : (environ 10 % du génome) est constitué de séquences hautement répétitives, essentiellement localisées dans les régions descentromères et destélomères.
Legénome humain comprend environ3 milliards depaires de bases représentant près de 30 000 gènes (en fait, dans les estimations récentes, c'est entre 20 000 et 25 000 gènes). Toutefois, il ne semble pas y avoir de relation systématique entre le nombre de paires de bases par génome et le degré de complexité d'un organisme. Ainsi, certainesplantes et organismesamphibiens possèdent un génome comptant plus de100 milliards de paires denucléotides, soit30 fois plus qu'ungénome humain. En effet, le génome descelluleseucaryotes semble contenir un large excès d'ADN. Chez lesmammifères, moins de 10 % du génome serait utile à l'expression en protéines ou à la régulation de cette expression.
La séquence complète du gène humain HSMG03 codant l'exon 3 de lamyoglobine (taille : 1,2 kb),3 milliards de ces4 lettres forment le génome de l'espèce humaine (Homo sapiens).
(d'après Welleret al., 1984. EMBO J. 3(2); 439-446)
La taille desgènes peut varier de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers denucléotides. Cependant même les gènes les plus longs n'utilisent qu'une faible portion de leurséquence pour coder l'information nécessaire à l'expression en protéines. Ces régions codantes sont appeléesexons et les séquences non codantesintrons. D'une manière générale, plus l'organisme est complexe, plus la quantité et la taille des introns est importante. Ainsi la présence d'introns sur l'ADN d'organismesprocaryotes est extrêmement rare. Certaines régions de l'ADN sont impliquées dans larégulation de l'expression des gènes. Ces séquences de régulation sont généralement localisées en amont (du côté 5') ou en aval (côté 3') d'un gène et plus rarement à l'intérieur d'introns ou d'exons.
Lesvitamines (du latinvita, vie) sont descomposés organiques essentiels à lavie, agissant à faibles quantités, pour le développement, l'entretien et le fonctionnement de l'organisme. Nos cellules sont incapables de les synthétiser et elles doivent être apportées par l'alimentation sous peine d'avitaminose ; l'excès de vitamines est lahypervitaminose. Lavitamine B1 (thiamine) est la première vitamine à avoir été découverte par le japonaisUmetarō Suzuki cherchant à soigner lebéribéri (une maladie due au déficit envitamine B1, caractérisée par des atteintes musculaires et neurologiques). Elle fut isolée parKazimierz Funk (biochimiste américain d'origine polonaise) en 1912. Aujourd'hui, on connaît13vitamines différentes pour l'humain. C'est un ensemble hétérogène du point de vue chimique et physiologique (mode d'action).
Les vitamines se divisent en deux grandes catégories : les vitamineshydrosolubles (groupesB etC) et les vitaminesliposolubles (les groupesA,D,E, etK). Les vitamines hydrosolubles ne peuvent pas franchir lamembrane cellulaire et elle doivent se fixer à unrécepteur pour pénétrer lacellule. Elles sont facilement éliminées par lesreins et la sueur, l'alimentation doit les fournir quotidiennement. Les vitamines liposolubles peuvent facilement traverser lamembrane cellulaire. Leurs récepteurs se trouvent dans la cellule, soit dans lecytosol, soit dans lenoyau. Elles sont stockées dans letissu adipeux et lefoie (d'où le risque de surdosage, surtout pour les vitamines A et D). Certaines vitamines sont descofacteurs nécessaires à l'activité d'enzymes (vitamines dugroupe B), d'autres constituent une réserve de pouvoirréducteur (vitamine C,E). Les fonctions des autres vitamines restent à élucider.
Un laboratoire à l'Institut de biochimie de Cologne.
Pour mener à bien leurs études, les biochimistes font appel à des techniques et des connaissances issues de nombreuses disciplines scientifiques autres que labiologie, par exemple :
L'étude de l'évolution desréactions chimiques et des variations de l'énergie emmagasinée dans les biomolécules au cours de ces réactions (bioénergétique).
L'idée que l'activité de la « matière vivante » provienne de réactions chimiques est relativement ancienne (Réaumur,Spallanzani, etc.). La synthèse de l'urée, réalisée en 1828 par le chimiste allemandFriedrich Wöhler, en sera une des confirmations les plus décisives réalisées auXIXe siècle. Avant cette date, on considérait que la substance présente dans les organismes présentait des particularités propres au vivant (théorie duvitalisme ou deshumeurs héritée des Grecs anciensAristote,Gallien ouHippocrate).
Un autre Allemand,Justus von Liebig sera le promoteur d'une nouvelle science, la biochimie, qui sera un domaine d'illustration pour plusieurs de ses compatriotes jusqu'à laseconde guerre mondiale. Parmi les plus célèbres on retiendraEmil Fischer (la célèbre projection de Fischer des glucides),Eduard Buchner (biochimie de la fermentation) etRichard Willstätter (mécanisme des réactions enzymatiques).
Dès lors l'exploration de lacellule connaît un nouvel essor mais on s'intéressera plus particulièrement à ses constituants chimiques et à la façon dont ils réagissent entre eux afin de réaliser unmétabolisme au niveau cellulaire. Après les travaux deLouis Pasteur, la recherche va se porter dans les substances intervenant dans lesfermentations et lesdigestions (les ferments solubles).Antoine Béchamp les nommera en 1864 « zymases » mais on préfèrera utiliser le nom d'enzymes introduit dès 1878 parWilhelm Kühne.
Les autres composants attirant l'attention sont des molécules « albuminoïdes » nomméesprotéines depuis 1838. Celles-ci sont considérées comme des agrégats de petites molécules à l'origine de l'état colloïdal duhyaloplasme de la cellule. SelonFriedrich Engels, elles sont la manifestation même de la vie (Dialectique de la nature, 1835) ; cela suscite dès lors une attitude vitaliste qui en France sera défendue parÉmile Duclaux.Marcellin Berthelot permet une avancée majeure en décrivant le fonctionnement de l'invertase : dès 1860, il décrit la façon dont l'hydrolyse de liaisons glucidiques est catalysée par ceglucose hydrolase. Dès 1920, une autre interprétation s'impose avec la mise en évidence de la nature moléculaire des protéines parHermann Staudinger. Ce nouveau statut est accompagné de caractéristiques structurales qui conduisent à de nouvelles interprétations fonctionnelles, certaines protéines pouvant être des enzymes, commeVictor Henri l'avait pressenti dès 1903.
Otto Warburg met en place la chimie cellulaire et met le microrespiromètre à la disposition des chercheurs. Cet appareil va aider le HongroisAlbert Szent-Györgyi puis l'AllemandHans Adolf Krebs à élucider le mécanisme de larespiration cellulaire. Il est démontré alors que le gaz carbonique produit à cette occasion est le résultat d'une série de réactions biochimiques effectuées à l'aide d'enzymes spécifiques, lecycle de Krebs. On établit aussi que toutes les cellules tirent leur énergie d'une même molécule, l'adénosine triphosphate ouATP, découverte en 1929 parKarl Lohmann.
Au début des années 1940,Albert Claude montre que la synthèse de l'ATP se déroule au niveau de la membrane interne desmitochondries. Dans le même temps, le BritanniquePeter Mitchell explique le mécanisme de cette réaction, qui s'accompagne de formation d'eau.
Toutes ces découvertes sont le prélude à une meilleure compréhension moléculaire de la vie et à de nombreuses autres avancées médicales et biologiques.
C'est en 1929 queTheodor Svedberg a l'idée de soumettre le matériel cellulaire à unecentrifugation poussée (ultracentrifugation) afin d'isoler les différents constituants des cellules. En 1906, le botanisteMikhaïl Tswett met au point lachromatographie, technique permettant de séparer les biomolécules. La technique d'électrophorèse a été développée en 1930 parArne Tiselius, elle permet la séparation des biomolécules chargées sous l'effet d'unchamp électrique. Le biochimiste britanniqueFrederick Sanger développa en 1955 une nouvelle méthode pour analyser la structure moléculaire des protéines (séquence d'acides aminés) et montra qu'une molécule d'insuline contenait deux chaînes peptidiques, reliées ensemble par deuxponts disulfure.
