Biochimie - Définition et Explications

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Introduction

Représentation tridimensionnelle de la neuraminidase. Les coordonnées des atomes ont été obtenues par Diffractométrie de rayons X sur un cristal de la protéine.

La biochimie est la discipline scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) qui étudie les réactions chimiques ayant lieu au sein des cellules.

Le terme a été créé en 1903 par Carl Neuberg d'après la racine grecque Βιοχημεία (biochēmeia) On distingue plusieurs grandes subdivisions de cette discipline : l'énergétique, production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) par la cellule ; l'enzymologie ou étude des catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie...) biologiques ; le métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou...), divisé en anabolisme, réactions de synthèse des molécules et catabolisme, réactions de dégradation des molécules. Ces grands groupes se subdivisent ensuite en des domaines de plus en plus spécialisés. Par exemple, l'enzymologie moderne tâche de relier la structure tridimensionnelle d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons...) avec sa fonction. La biochimie, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...), détaille aussi les raisons de la réactivité des molécules.

Les principales catégories de molécules étudiées en biochimie sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Ces molécules sont constituées principalement de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) et d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote...). Ces classes de molécules représentent les éléments fondamentaux de l'édification et du fonctionnement de la cellule, divisées en deux groupes, les macroéléments, et les microéléments (aussi appelés oligoéléments), c'est-à-dire l'or, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...), le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) existant à l'état de trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma coronal, à...) dans notre organisme.

L'un des buts ultimes de la biochimie est d'intégrer les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) obtenues à l'échelle moléculaire à un niveau de complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en sciences...) supérieur, celui de la cellule. Il existe toutefois deux divisions entre la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) et la cellule : la première est abordée par la chimie supramoléculaire, qui étudie les assemblages de macromolécules (comme le ribosome ou les interactions enzymatiques au sein d'une voie métabolique) et les propriétés émergentes ; la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) s'occupe de la biochimie des organites, comme la mitochondrie (Une mitochondrie (du grec mitos, fil et chondros, grain) est un organite à l'intérieur d'une cellule eucaryote, dont la taille est de l'ordre du micromètre. Son...) ou le chloroplaste, entités supramoléculaires existant à l'intérieur des cellules complexes.

Émergence de la biochimie

Justus von Liebig
Louis Pasteur (Louis Pasteur, né à Dole (Jura) le 27 décembre 1822 et mort à Marnes-la-Coquette (Seine-et-Oise) le 28 septembre 1895, est un scientifique français, chimiste et physicien de...)
Melvin Calvin

L'idée que l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de la "matière vivante" provienne de réactions chimiques est relativement ancienne (Réaumur, Spallanzani, etc.). La synthèse de l'urée (L'urée ou carbamide (DCI) est un composé organique de formule chimique CO(NH2)2. C'est aussi le nom de la famille des dérivés de l'urée de formule générale (R1,R2)N-CO-N(R3,R4).), réalisée en 1828 par le chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique ("supra-atomique"). Le mot chimiste est dérivé d'alchimiste mais prend un sens...) allemand Friedrich Wöhler, en sera une des confirmations les plus décisives réalisées au XIXe siècle. Avant cette date, on considérait que la substance présente dans les organismes présentait des particularités propres au vivant (théorie du vitalisme ou des humeurs héritée des Grecs anciens Aristote (Aristote (en grec ancien Ἀριστοτέλης / Aristotélês) est un philosophe grec né à Stagire (actuelle Stavros) en Macédoine (d’où...), Gallien ou Hippocrate).

Un autre Allemand, Justus von Liebig sera le promoteur d'une nouvelle science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens...), la biochimie, qui sera un domaine d'illustration pour plusieurs de ses compatriotes jusqu'à la seconde guerre mondiale. Parmi les plus célèbres on retiendra Hermann Emil Fischer (Hermann Emil Fischer (9 octobre 1852 - 15 juillet 1919) est un chimiste allemand, lauréat du prix Nobel de chimie de 1902 « en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus par ses...) (la célèbre projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) de Fischer des glucides), Eduard Buchner (biochimie de la fermentation) et Richard Willstätter (mécanisme des réactions enzymatiques).

Dès lors l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de la cellule 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 un métabolisme au niveau cellulaire. Après les travaux de Louis Pasteur, la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) va se porter dans les substances intervenant dans les fermentations et les digestions (les ferments solubles). Antoine Béchamp (Pierre Jacques Antoine Béchamp, né le 15 octobre 1816 à Bassing (Moselle) et mort le 31 mars 1908 à Paris, était docteur ès sciences, docteur en...) les nommera en 1864 "zymases" mais on préfèrera utiliser le nom d'enzymes introduit dès 1878 par Wilhelm Kühne.

Les autres composants attirant l'attention sont des molécules "albuminoïdes" nommées protéines depuis 1838. Celles-ci sont considérées comme des agrégats de petites molécules à l'origine de l'état colloïdal du hyaloplasme de la cellule. Selon Friedrich Engels elles sont la manifestation même de la vie (La vie est le nom donné :) (Dialectique de la nature, 1835); cela suscite dès lors une attitude vitaliste qui en France sera défendue par Émile Duclaux. Cependant, dès 1920, une autre interprétation s'impose avec la mise en évidence de la nature moléculaire des protéines par Hermann Staudinger. Ce nouveau statut est accompagné de caractéristiques structurales qui conduisent à de nouvelles interprétations fonctionnelles, certaines protéines pouvant être des enzymes, comme Victor 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 Hongrois Albert Szent-Györgyi puis l'Allemand Hans Adolf Krebs à élucider le mécanisme de la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre...) cellulaire. Il est démontré alors que le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre...) carbonique produit à cette occasion est le résultat d'une série de réactions biochimiques effectuées à l'aide d'enzymes spécifiques, le Cycle de Krebs. On établit aussi que toutes les cellules tirent leur énergie d'une même molécule, l'adénosine (L'adénosine est un nucléoside formé lorsque l'adénine est attachée à un noyau ribose (sous forme de ribofuranose) via une liaison β-N9glucoside.) triphosphate ou ATP, découverte en 1929 par Karl Lohmann.

Au début des années 1940, Albert Claude montre que la synthèse de l'ATP se déroule au niveau de la membrane interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...) des mitochondries. Dans le même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), le britannique Peter Mitchell explique le mécanisme de cette réaction, qui s'accompagne de formation d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

L'étude des thylakoïdes dans les chloroplastes des végétaux chlorophylliens permet de comprendre progressivement le mécanisme de la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et à certaines...). En 1932, Robert Emerson reconnaît une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) lumineuse et une phase obscure et en 1937 Archibald Vivian Hill démontre que la production d'oxygène caractéristique de la photosynthèse résulte de la photolyse (décomposition chimique par la lumière) de l'eau. Enfin à partir de 1947, Melvin Calvin décrit la fabrication des substances carbonées à partir du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la...) absorbé, c'est le Cycle de Calvin.

En 1951, Erwin Chargaff montre que la molécule d'ADN, connue depuis 1869, est essentiellement présente au niveau des chromosomes. On remarque aussi qu'il y a autant d'adénine que de thymine, de guanine que de cytosine. Le jeune James Dewey Watson (James Dewey Watson (né le 6 avril 1928) est un généticien et biochimiste américain, co-découvreur de la structure de l'ADN. Il a obtenu le prix Nobel de médecine en 1962 pour cette...) et Francis Harry Compton Crick vont publier la structure en double hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) de l'ADN dans la revue Nature le 25 avril 1953. Ils se basent sur les images en diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet....) des rayons X obtenues par Maurice Wilkins et Rosalind Elsie Franklin.

Toutes ces découvertes sont le prélude à une meilleure compréhension moléculaire de la vie et à de nombreuses autres avancées médicales et biologiques.

Apparition des techniques de biochimie

C'est en 1929 que Theodor Svedberg (Le svedberg, de symbole S, est une unité de mesure du taux de sédimentation. Elle fut nommée ainsi en l'honneur du chimiste et physicien suédois Theodor Svedberg...) à l'idée de soumettre le matériel cellulaire à une centrifugation poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de...) (ultracentrifugation) afin d'isoler les différents constituants des cellules. En 1906, le botaniste Mikhaïl Tswett met au point (Graphie) la chromatographie, technique permettant de séparer les biomolécules. La technique d'électrophorèse a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la...) en 1930 par Arne Wilhelm Tiselius, elle permet la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) des biomolécules chargées sous l'effet d'un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de déterminer en tout...). Le biochimiste britannique Frederick Sanger (Frederick Sanger (13 août 1918 à Rendcombe, Grande-Bretagne) est un biochimiste anglais qui a reçu deux prix Nobel de chimie (de 1958 et une moitié de celui de...) développa en 1955 une nouvelle méthode pour analyser la structure moléculaire des protéines (séquence d'acides aminés) et montra qu'une molécule d'insuline (L'insuline (du latin insula, île) est une hormone peptidique sécrétée par les cellules β des îlots de Langerhans du pancréas. Elle a, avec le...) contenait deux chaînes peptidiques, reliées ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) par deux ponts disulfure.

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