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biocatalyse

La biocatalyse peut être définie comme l'accélération d'une réaction biochimique par une substance (biocatalyseur) qui n'est pas modifiée dans sa composition et sa concentration lorsque la réaction s'achève.

La biocatalyse correspond donc aux phénomènes de catalyse, connus en chimie. Les biochimistes définissent la vie comme une succession de réactions chimiques rigoureusement coordonnées sous la direction d'un contrôle génétique. Dans cette multitude de réactions, on distingue des processus élémentaires communs qui concernent les phénomènes métaboliques par lesquels un aliment est converti en énergie et en matériaux indispensables à la vie de la cellule et à ses diverses fonctions. Mais aux températures habituelles des organismes vivants, qui varient de la température ambiante pour les « animaux à sang froid » (ou poïkilothermes) à 42 °C pour les « animaux à sang chaud » (ou homéothermes : homme, 37 °C ; certains oiseaux, 42 °C), les réactions chimiques sont extrêmement lentes, voire impossibles. Il faudrait une très importante élévation de température, incompatible avec la vie, pour que ces réactions se réalisent dans des temps suffisamment courts. De plus, elles nécessitent souvent des conditions de pH (équilibre acidobasique du milieu) elles aussi peu compatibles avec le maintien du milieu cellulaire. La vie serait donc impossible s'il n'existait des molécules capables d'accélérer les processus réactionnels aux conditions de température et de pH des milieux cellulaires. Ces molécules sont des biocatalyseurs et on peut dire que toutes les réactions biochimiques sont sous leur dépendance.

Les biocatalyseurs sont, à l'inverse des catalyseurs utilisés par la chimie, des molécules complexes appartenant le plus souvent à la classe des protéines.

Historique

L'histoire des biocatalyseurs, indissociable de la notion de fermentation, est, tout au moins au cours du siècle dernier, une affaire essentiellement française. Payen et Persoz, en 1833, dégagèrent les premiers la notion de molécule responsable de la fermentation de l'amidon en sucre, molécule qu'ils appelèrent diastase ; ce terme persistera très longtemps dans le langage courant (il sera très lentement remplacé par le terme d'enzyme, créé par Kühne en 1878). À cette histoire, Berthelot et Pasteur ont attaché leur nom ; de longues et vigoureuses polémiques les opposèrent sur l'origine (extra ou intracellulaire) de ces mystérieux « ferments ». En 1897, l'Allemand Büchner remettait en question la suprématie française dans ce domaine ; il inaugurait la période de purification et d'isolement des enzymes, qui se poursuit encore de nos jours (800 enzymes ont ainsi été identifiées). Enfin, une troisième étape, américaine essentiellement, débute en 1926 avec Summer et Northrop, et ouvre la période des synthèses.

Propriétés essentielles des biocatalyseurs

L'étude des étapes intermédiaires d'une réaction chimique (ou biochimique) montre la nécessité d'une activation des réactifs en présence pour franchir la « barrière énergétique ».

La combinaison d'un substrat avec une enzyme provoque un affaiblissement de certaines liaisons et a pour conséquence un abaissement du niveau de la barrière énergétique, facilitant ainsi de nombreuses réactions. Les réactions biocatalysées sont en général réversibles et la présence du catalyseur n'altère pas les produits de la réaction, mais il accélère l'apparition du moment où l'équilibre est atteint.

L'action des biocatalyseurs est sous la dépendance de l'équilibre acidobasique du milieu. D'une manière générale, leur action est limitée à une zone très étroite de pH, la majorité d'entre elles ayant une zone d'activité optimale proche de la neutralité, ce qui n'est pas très étonnant puisque les milieux biologiques ont un pH voisin de 7.

Si, biologiquement, la majorité des catalyseurs sont représentés par les enzymes, d'autres molécules contribuent à cette fonction ; ce sont les vitamines, de nature chimique très diverse, qui jouent habituellement le rôle de coenzyme, c'est-à-dire du principe actif des enzymes. Certaines hormones se conduisent d'une manière proche. Enfin, comme en chimie classique, les métaux jouent là aussi un rôle catalytique non négligeable sous forme d'oligo-éléments.