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Nobel de 1955 à 1959 |
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1955 : Vincent du Vigneaud (1901 - 1978) |
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1956 : Sir Cyril Norman Hinshelwood (1997 - 1967) et Nicolas Nicolaevitch Semenov (1896 - 1986) |
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1957 : Alexander Todd (1907 - ) |
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1958 : Frederik Sanger (1918 - ) |
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1959 : Jaroslav Heyrovsky (1890 - 1967) |
Pour ses travaux sur les composés sulfureux d'importance biologique et surtout pour la première synthèse d'une hormone polypeptidique.
(Chicago, 1901 - New York, 1978)
Vincent du Vigneaud est né en 1901 à Chicago dans une famille d'origine française. Après des études supérieures à l'Université de l'Illinois, il occupe un poste d'assistant de biochimie à l'h6pital de Philadelphie, et commence là une carrière de chercheur qui l'amène à soutenir son Ph. D. en 1927, à la faculté de médecine de l'Université de Rochester. Très tôt, il s'intéresse à une hormone sécrétée par le pancréas, l'insuline. Evoquant ses débuts de chercheur, il a raconté dans l'une de ses conférences que son intérêt pour l'insuline s'était éveillé lorsque W. C. Rose, professeur de biochimie à l'Université de l'Illinois, revenant d'un symposium tenu à Toronto en 1923, avait présenté comme un grand événement la découverte de cette hormone par Banting et Best deux années plus t6t : il avait alors été profondément touché par l'enthousiasme et l'espoir que suscitait cette découverte. Aussi accepta-t-il avec joie l'invitation qu'il reçut bient6t de J. R. Murlin, de venir faire des recherches sur l'insuline à l'Université de Rochester. Là, il est intrigué par le fait que la majeure partie des produits sur lesquels il travaille contiennent du soufre. Il comprend rapidement que cet élément est présent dans une liaison disulfure et en conclut que l'insuline est vraisemblablement une dérivée de l'amino-acide appelé cystine, qui, dans l'insuline, est lié au reste de la molécule par des liaisons peptidiques.
Membre du Conseil National de la Recherche, Vincent du Vigneaud effectue ensuite plusieurs stages dans divers instituts américains, allemands, écossais et anglais. De retour aux Etats-Unis, il occupe la chaire de biochimie à l'Ecole de Médecine de l'Université George Washington, puis à partir de 1938 celle du College Médical de l'Université Comell.
Après ses travaux sur l'insuline, il poursuit ses recherches sur deux hormones de l'hypophyse, l'ocytocine et la vasopressine. Puis il s'intéresse au métabolisme des peptides, à la transméthylation, au métabolisme des composés mono-carboniques, à la transsulfuration, et à des composés comme la pénicilline, la biotine, etc. La plupart de ces travaux sont exposés dans le livre qu'il publie en 1952, A Trail of Research in Sulfur Chemistry and Metabolism and Related Fields, Comell University Press, Ithaca, 1952. Cet ouvrage l'impose dans les milieux scientifiques, et trois ans plus tard il recevra le prix Nobel.
A la fin de sa carrière, i! sera directeur de l'Institut de la Santé Publique de la ville de New York, et l'un des dirigeants de l'Institut Rockefeller pour la Recherche Médicale.
Il serait fastidieux de décrire les recherches remarquables et difficiles de du Vigneaud. Nous nous limiterons à la présentation des plus importantes, que nous allons situer pour mieux les comprendre dans le contexte plus large de la chimie des hormones. Celles-ci sont des substances sécrétées par les glandes endocrines et déversées directement dans le sang. Ces excitants fonctionnels spécifiques jouent un r61e très important dans les phénomènes vitaux, et sont utilisés en thérapeutique. L'insuline, à laquelle surtout s'est intéressé du Vigneaud, est produite par le pancréas et a une fonction importante dans le métabolisme des sucres.
Après l'insuline, il a étudié deux hormones de l'hypophyse; cette glande, chez l'homme, se présente comme un petit haricot ovale de couleur rougeâtre et d'un diamètre d'environ 1 centimètre ; située sous le cerveau, elle semble une extension du plancher du thalamus. Elle se compose de différents types de tissus qualifiés, selon leur position, de lobes antérieur, intermédiaire et postérieur. Chacun d'entre eux sécrète une hormone spécifique intervenant dans la croissance, la lactation, l'activité des autres glandes endocrines, la pigmentation, etc. Du Vigneaud s'est intéressé aux deux hormones provenant du lobe postérieur, la vasopressine et l'ocytocine. Après les avoir isolées à l'état pur, il a montré que ces substances étaient constituées d'amino-acides tout comme le sont les protéines, avec cependant une masse moléculaire plus petite; pour les distinguer chimiquement des protéines, on les a appelées polypeptides. Il a en outre identifié la nature des amino-acides et leur enchaînement, montrant en particulier que l'un de leurs composants est la cystine, qui contient du soufre. Les structures des deux hormones sont très proches l'une de l'autre : leur molécule renferme huit amino-acides formant un cycle dont la forme peut se comparer au chiffre 6 ou 9; les deux atomes de soufre d'une liaison disulfure font partie du cycle. Leur structure ainsi déterminée, encore fallait-il réaliser la synthèse de chaque hormone.
Etape après étape, et selon une séquence prédéterminée, du Vigneaud bâtit la chaîne d'amino-acides, plaçant les deux atomes de soufre au bon endroit (l'un au milieu, l'autre en bout de chaîne), et il réussit à fermer le cycle en reliant les deux soufres (disulfure). C'était la première synthèse d'une hormone polypeptidique, l'ocytocine. La substance à l'état pur cristallisée fut isolée. Il restait pour terminer à comparer les propriétés chimiques et physiologiques des échantillons naturels et synthétiques. Les tests furent tout à fait concluants.
L'ocytocine agissant sur la contraction de l'utérus, on l'utilise en obstétrique. La vasopressine, que du Vigneaud synthétisa peu de temps après, élève la pression sanguine en exerçant une vasopression sur les vaisseaux sanguins : on l'utilise comme traitement adjuvant du choc chirurgical. Elle exerce aussi un effet antidiurétique en agissant sur les tubules rénaux et en réglant la réabsorption facultative de l'eau.
La réussite de du Vigneaud fut le point de départ de nouvelles synthèses d'hormones. On prépara plusieurs produits analogues à l'ocytocine en lui enlevant certains groupements fonctionnels (le groupement NH2 de la cystine, le groupement ôH de la tyrosine, les groupements carboxamides de l'asparagine, de la glutamine et de la glycinamide, le pont disulfure). Ainsi, par exemple, la désamino-ocytocine possède une activité antidiurétique cinq fois plus grande que celle de l'ocytocine. En 1962, en collaboration avec Hope, du Vigneaud synthétise la désaminodésoxyocytocine, qui a une activité 16 fois moins forte que l'ocytocine.
Grâce à lui, de nombreux peptides actifs ont été synthétisés en laboratoire par des procédés bien standardisés. C'est en particulier en se fondant sur ses travaux que R. B. Merrifield a pu concevoir, quelques années plus tard, un appareil programmable capable de réaliser de façon répétitive et avec des rendements élevés, les différentes étapes chimiques qui permettent l'addition de chaque amino-acide à une chaîne polypeptidique croissant progressivement.
On voit avec cet exemple quels remarquables progrès ont été accomplis dans la synthèse des hormones. Pour une grande part, le mérite en revient à Vincent du Vigneaud.
Ce grand biochimiste mourut à New York en 1978.
Pour leurs recherches sur le mécanisme des réactions chimiques.
C'est en pleine guerre froide que l'Académie des Sciences de Stockholm a décidé de récompenser les travaux de ces deux chercheurs, anglais et soviétique, dont les oeuvres, différentes à l'origine, ont fini par se rejoindre dans l'étude des mécanismes réactionnels. Sans eux, la cinétique chimique n'en serait pas au point où elle est parvenue aujourd'hui.
(Londres, 1897 - Londres, 1967)
Sir Cyril Norman Hinshelwood naquit à Londres le 19 juin 1897. Il fit ses études supérieures au Balliol College et au Trinity College, à Oxford. A partir de 1937, il est professeur de chimie à l'Université d'Oxford et assure la direction de l'Institut de Recherches rattaché à cette chaire. Président de la Chemical Society durant l'année 1947-1948, il est en outre titulaire de la Royal Medal of the Royal Society en 1947, fellow de la Royal Society et Knight bachelor en 1948. Il devient président de la Royal Society en 1955, et, réélu chaque année à cette fonction, il a présidé à ce titre en 1960 les fêtes du tricentenaire de cette glorieuse compagnie.
Après les prix Nobel de Van't Hoff et Arrhenius (1), celui de Hinshelwood met à nouveau la cinétique à l'honneur. Cette discipline repose sur la théorie de l'activation des molécules réagissant par collisions, et dérive directement de la théorie cinétique des gaz. Dans les relations mathématiques (2) qui expriment la vitesse figure le produit de concentration, comme le veut la théorie d'activation, car le nombre de chocs est proportionnel à ce produit. Mais cette théorie se heurte à une difficulté très importante. En effet, dans l'expression de la vitesse d'une réaction monomoléculaire ne figure qu'une seule concentration : comment la relier au nombre de chocs entre molécules? Ce problème a préoccupé un grand nombre de cinéticiens, et certains ont proposé des théories nouvelles pour expliquer l'activation dans les réactions monomoléculaires. Ainsi Jean Perrin avança-t-il l'idée que l'activation résulterait de l'énergie radiante de l'enceinte : c'est ce qu'on appelle l'hypothèse radiochimique; mais l'expérience l'a bient6t réfutée. En 1922, Lindemann proposa une nouvelle interprétation qu'Hinshelwood s'est ingénié à vérifier expérimentalement et a tenté d'imposer. D'après Lindemann, bien qu'elle ne soit pas apparente à première vue, la réaction monomoléculaire serait due à des collisions intermoléculaires, par suite de sa dépendance envers la température suivant la loi d'Arrhenius (3). Cependant la réaction ne suit pas instantanément le choc d'activation, car l'énergie acquise par la molécule met un certain temps à se répartir et provoque une élongation démesurée de la liaison intervenant dans les réactions de décomposition monomoléculaires. C'est cette durée de vie de la molécule activée, ainsi que le délai entre l'activation et la réaction, qu'exploite Lindemann. Suivant l'ordre de grandeur de ce laps de temps vis-à-vis de la fréquence des collisions et des pressions auxquelles on opère, plusieurs cas peuvent se présenter. En étudiant la décomposition de molécules diverses (N2O5,(CH3)2O, etc.), Hinshelwood a montré que sous forte pression ce type de réactions adopte un ordre 1, mais qu'au contraire sous faible pression l'ordre devient égal à 2; aux pressions intermédiaires, la réaction a un ordre compris entre l et 2. Hinshelwood et ses collaborateurs (Askey et Thompson) montrent également que si l'on introduit dans le milieu réactionnel un gaz inerte comme l'argon ou l'azote, celui-ci s'oppose à la variation de l'ordre réactionnel en fonction de la pression, ce qui est un argument en faveur de la théorie de Lindemann, car le gaz inerte réduit l'intervalle de temps qui sépare deux chocs consécutifs de la molécule, et intervient sur le délai de la désactivation. Ceci constitue le fondement de la théorie Lindemann-Hinshelwood; on a ensuite qualifié ce processus de "quasi-monomoléculaire" (4). Sous son apparente simplicité, il met cependant en évidence trois étapes réactionnelles distinctes : l'activation, la réaction, la désactivation, qui constituent le prélude à la théorie du "complexe activé", proposée en 1935 par Eyring.
Cette interprétation souleva de nombreuses discussions, surtout au moment où les mécanismes en chaîne commençaient à être mieux connus avec les travaux de Semenov. Hinshelwood évolua dans ses interprétations des mécanismes réactionnels, comme le montrent les éditions successives (1926, 1933, 1945) de son célèbre ouvrage Einetics of Chemical Changes.
En 1936, avec son collaborateur Staveley, Hinshelwood d6couvre que le dioxyde d'azote (un attracteur d'électrons) inhibe les réactions en chaîne en bloquant les radicaux libres, entités intermédiaires des réactions. Il est alors conduit à abandonner l'idée que les mécanismes des réactions sont simples, et à considérer qu'ils comportent une partie appelée "mécanisme en chaîne".
Avec plusieurs collaborateurs (Gibson, Thompson, Gaestang, Williamson), il étudie le mécanisme fort complexe de la synthèse de l'eau, qui préoccupait de nombreuses écoles de cinéticiens, dont celle de Semenov à Leningrad. C'est à cette époque que s'établiront entre ces deux équipes des relations d'amicale coopération. Hinshelwood effectua également une série de travaux en rapport avec la cinétique des réactions en solution. Ces recherches ont montré l'existence de relations entre les caractéristiques cinétiques et la structure moléculaire des réactifs. Il est en quelque sorte un précurseur dans l'étude des effets de substituants sur les sites réactionnels de composés aromatiques. Par exemple, la vitesse de benzoylation de l'aniline est abaissée de 100 fois par fixation d'un groupement nitro sur le noyau benzénique. Dans certains cas, les substitutions successives ont un effet additif; dans d'autres cas elles ne l'ont plus. Ainsi se pose le problème de la transmission électronique au travers du noyau aromatique, en fonction des propriétés donneur-accepteur des électrons des substituants. Depuis cette époque, de nombreuses solutions ont été proposées à propos de ces effets électroniques; beaucoup de physicochimistes continuent néanmoins à travailler dans ce domaine. Enfin Hinshelwood a cherché à transposer les méthodes et les connaissances acquises en cinétique chimique à l'étude de la multiplication des bactéries et du développement cellulaire. Ses résultats sont résumés dans Chemical Kinetics of the Bacteria Cell (1946).
Le savant britannique mourut à Londres en 1967.
(Saratov, 1896-1986)
Premier prix Nobel de chimie soviétique, Nicolas Nicolaevitch Semenov est né à Saratov en 1896. Il commence ses études supérieures de physique en 1913 à l'Université de Saint-Pétersbourg (aujourd'hui Léningrad). Entré en 1916 dans le laboratoire du professeur de physique Joffé, il entreprend sous sa direction des travaux sur les diélectriques et sur les liaison moléculaires; c'est là que l'idée lui vient, tandis qu'il étudie la réaction d'oxydation du phosphore, que les réactions chimiques procèdent par étapes selon un mécanisme en chaîne. A partir de 1920, toujours dans la même ville, il enseigne à l'Institut Polytechnique. En 1928, il est élu membre de l'Académie des Sciences de l'U.R.S.S.; directeur de l'Institut de Physique Chimique de cette Académie en 1931, il en devient membre titulaire l'année suivante, à trente-six ans. Enfin, depuis 1944, il est à la tête du département de cinétique chimique de l'Université de Moscou, après être passé par Kazan, où il a séjourné pendant la guerre. Décoré cinq fois de l'ordre de Lénine, il a également reçu de nombreuses distinctions étrangères et a été associé aux travaux de la commission soviétique du développement scientifique.
Son oeuvre, à la différence de celle de Hinshelwood, se situe dans le domaine des réactions complexes, de loin les plus nombreuses. Dans la plupart des cas, l'influence des concentrations de réactifs sur la vitesse des réactions telle que la définit la règle de Van't Hoff, est totalement imprévisible. Les nombreux résultats obtenus montrent que cette vitesse peut dépendre de multiples facteurs ignorés jusque là, comme la nature des parois du récipient, la présence d'impuretés ou de corps chimiquement inertes, la forme et les dimensions des réacteurs. Semenov a été le grand artisan de cette cinétique nouvelle en introduisant la notion de mécanisme de réaction en chaîne.
A la suite des premiers travaux en photochimie de Stark, Einstein, en 1912, s'appuyant sur la théorie des quanta, avait prédit qu'un photon ne pouvait interagir qu'avec une seule et unique molécule. Plusieurs cinéticiens comme Victor Henri, Bodenstein et Warburg, cherchèrent à vérifier expérimentalement ce que l'on appelait le principe de l'équivalence photo-chimique. Leurs résultats furent décevants. Ils constatèrent que le nombre de molécules par photon absorbé est inférieur à l'unité, et que l'absorption dépend de la longueur d'onde du rayonnement utilisé. Dans ses célèbres travaux sur la synthèse des hydracides, Semenov remarque que les rendements photochimiques (nombre de molécules réagissant par photon absorbé) peuvent être de plusieurs centaines de milliers. L'équivalence photo-chimique ne s'applique qu'à l'étape initiale de la réaction. En revanche apparaissent dans le milieu réactionnel des entités extrêmement réactives (atomes ou radicaux libres) qui sont la cause, selon Semenov, de "l'avalanche chimique". La réaction se propage par une succession d'actes rapides et identiques en régénérant les particules activées qui viennent d'être consommées. Ces actes sont comme les maillons d'une chaîne, et se répètent jusqu'à la disparition du réactif. Ainsi la mesure du rendement quantique définit en même temps la longueur de la chaîne.
Ce mécanisme est-il l'apanage des réactions photo-chimiques ? Non seulement il ne l'est pas, mais encore la chaîne peut se ramifier lorsque l'acte de propagation donne naissance à plus de porteurs de chaînes qu'il n'en a consommés. Comme Hinshelwood, Semenov a abondamment exploité cette idée de ramification des chaînes réactionnelles. Il l'a étendue aux réactions explosives qui faisaient l'objet d'un grand intérêt à cette époque. Les différentes écoles, dont celle de Le Châtelier en France, interprétaient les explosions au moyen d'une théorie thermique : la réaction dégage de la chaleur, échauffe le milieu, augmente exponentiellement la vitesse de réaction; c'est l'entraînement mutuel de ces deux effets qui rend la réaction explosive. Semenov confirme cette théorie en l'améliorant, et y ajoute une conception nouvelle qu'il appelle "l'inflammation en chaîne" : celle-ci se développe même si l'on élimine la chaleur dégagée par la véaction.
Avec ses collaborateurs, Kondratiev, Kondratievna, Avramenko, Semenov examine ensuite l'oxydation du phosphore à l'état gazeux et comme beaucoup d'autres, étudie la cinétique de la synthèse de l'eau. On sait que ce sont ces travaux qui le lièrent avec l'équipe de Hinshelwood. Il consacre plusieurs années (1931-1934) à l'étude extrêmement importante de l'oxydation et de la combustion des hydrocarbures, proposant une nouvelle théorie complexe de "ramification dégénérée", selon laquelle chaque chaîne droite donne naissance à un hydroperoxyde isolable mais instable, qui se décompose en donnant deux radicaux libres initiateurs de deux nouvelles chaînes.
Tous ces travaux ont été rassemblés dans son célèbre ouvrage Chemical Kinetics and Chain Reactions, publié en 1934 à Oxford. Il y développe ses théories sur les mécanismes réactionnels en chaîne, phénomène selon lui extrêmement répandu. Ces théories rencontrèrent un bon accueil, car plusieurs chercheurs, dont Paneth, avaient montré dès 1929 l'existence de radicaux libres tels que CH3C2H5OH, etc. L'école de Leningrad ne sera pas en reste dans l'étude de l'existence des radicaux libres et des processus élémentaires dont la succession ou l'enchevêtrement expliquent le mécanisme en chaîne. C'est ce qui ressort du second ouvrage que Semenov publie à Moscou en 1954-1958, Quelques problèmes concernant la cinétique chirnique et la réactivité, aussit6t traduit en Grande-Bretagne et aux Etats-Unis. Il y expose des vues nouvelles sur le problème posé par Hinshelwood, d'une éventuelle coexistence de réactions moléculaires et de réactions en chaîne.
Il a enfin cherché à établir les relations qui pourraient exister entre la chimie des radicaux libres et le développement des cancers : encore un point de rencontre entre les deux écoles de Leningrad et d'Oxford, qui ont tenté d'appliquer leur savoir chimique à la résolution de problèmes fondamentaux de la biologie.
Nicolas Semenov est mort en 1986.
1. Voir les notices sur les prix Nobel de chimie 1901 et 1903.
2. Soit la réaction nA + mB --> AnBm .
v = k(A)p .(B)q, où k est la constante de vitesse; (A) et (B) sont les concentrations des réactifs à chaque stade de la réaction; les exposants p et q définissent l'ordre de la réaction par rapport à chaque r6actif; (n+m) représente la molécularité de la réaction.
3. Souvenons-nous que la constante de vitesse peut s'écrire au départ de la loi d'Arrhénius (1889) : Log k = Log A - Ea/RT.
4. Pour plus de détails, consulter un ouvrage de cinétique chimique, par exemple G. Pannetier et P. Souchay, Chimie générale. Cinétique chimique, Paris, Masson, 1964, p. 83-86.
Pour ses travaux sur les nucléotides et les enzymes nucléotidiques.
(Glasgow, 1907 - )
Alexander Todd est né en 1907 à Glasgow. C'est dans sa ville natale qu'il fait ses études, d'abord à l'école Allan Glen's, puis à l'Université, dont il sort en 1928. Il part ensuite en Allemagne pour suivre des cours à l'Université de Francfort-sur-le-Main, et prépare sous la direction de W. Borsche une thèse sur la chimie des acides biliaires, qu'il soutient en 1931. De retour en Angleterre, il travaille de 1931 à 1934 dans le laboratoire de Sir Robert Robinson (1) sur les anthocyanines, et soutient en 1933 une seconde thèse, de Ph. D., à Oxford. En 1934, il rejoint l'équipe de G. Barger à Edimbourg, en Ecosse. Deux ans plus tard, il part travailler à Chelsea, à l'Institut Lister de médecine préventive. On le retrouve l'année suivante lecteur en biochimie à l'Université de Londres. L'année 1938 le voit nommé professeur de chimie et directeur de laboratoire à l'Université de Manchester. A partir de 1944 il occupe la chaire de chimie organique de l'Université de Cambridge, et il enseigne au Fellow of Christ's College; il poursuivra ces deux activités jusqu'à la fin de sa carrière universitaire.
Il a reçu de très nombreuses distinctions, dont deux diplômes de docteur honoris causa (Kiel et Glasgow), et la médaille Lavoisier décemée par la Société Française de Chimie. Il a également donné des cours à l'étranger (Sidney, Chicago, etc.), dont un en 1954 au célèbre Institut de Technologie du Massachussets. Scs recherches ont porté sur les nucléosides, les nucléotides et la chimie des vitamines B1, B12 et E, dont il a réalisé la synthèse en 1955. Les nucléotides étaient connus depuis un siècle environ lorsque Todd aborda leur étude. Plusieurs chimistes et biochimistes avaient examiné ces substances; malheureusement on connaissait peu de choses sur 1eur structure, car les difficultées rencontrées étaient énormes.
Un nucléotide est l'unité de base des acides nucléiques. Il est formé d'une base purique (adénine, guanine) ou pyrimidique (cytosine, thymine, uracile), à laquelle est rattaché par un lien glucosidique un sucre (ribose ou désoxy-ribose) combiné à une molécule d'acide phosphorique. On a ainsi le motif base - sucre - acide phosphorique. Par action d'une enzyme appropriée (une nucléotidase), l'acide phosphorique est libéré et on obtient un nucléoside formé d'une base purique ou pyrimidique et d'un pentose (base-sucre).
C'est par ces composés que Todd commença ses études, l'important n'étant pas d'avoir montré quelles étaient les molécules qui constituaient un nucléotique, mais quels étaient les liens qui les unissaient, et à quel niveau ils se situaient. Ces travaux étaient d'autant plus difficiles que la combinaison de la demi-douzaine de bases avec deux sucres peut donner naissance à des centaines ou à des milliers de macromolécules qui forment les divers acides nucléiques. La question n'était pas nouvelle, et de nombreux biochimistes avaient recherché ce qui pouvait unir les nucléotiques dans les acides nucléiques. Todd joua dans ces recherches un r61e de premier plan. Ce sont scs études fondamentales qui ont permis, à partir d'images obtenues par diffraction des rayons X, d'émettre l'hypothèse que la structure des acides nucléiques se présente sous la forme d'une double hélice (1953). Le principe essentiel qui a guidé les expériences de Todd repose sur la dégradation des macromolécules nucléotidiques, sur l'étude des fragments ainsi isolés, puis sur la synthèse des composés de départ en combinant soigneusement les séquences bases-sucres, et en les faisant suivre d'une réaction de phosphorylation. Or si le principe paraît simple, le chemin à parcourir était semé d'obstacles très difficiles à franchir. Le principal mérite de Todd a été de trouver des réactions très élégantes, en particulier celles qui consistent à introduire l'acide phosphorique. Nous laisserons de c6té les détails d'un travail que ne pourraient apprécier que les spécialistes de la question, et nous nous bomerons à dire que, depuis cette époque, le mode d'enchaînement dans les acides nucléiques est bien établi. C'est une longue chaîne où les maillons sont alternativement la molécule de sucre et celle d'acide phosphorique; à chaque molécule de sucre (pentose) est fixée une base qui ressemble à une ramification placée sur la chaîne linéaire. Le code de l'altemance des constituants des nucléotides est comparable aux points et tirets de l'alphabet Morse.
Les méthodes de synthèse de Todd ont permis de préparer des coenzymes nucléotides à bas point moléculaire, telle la cozymase (2), qui exerce son influence dans la fermentation alcoolique et dans bien d'autres réactions biochimiques (3).
La mise au point effectuée par Todd a permis de synthétiser en laboratoire des coenzymes dont on peut modifier de proche en proche l'activité et mieux connxtre le mode d'action. Il a toujours soutenu que la vitamine B12 jouait le r61e de coenzyme, et que sa molécule, très complexe, contenait un fragment adénine-nucléoside. Quelques années plus tard, en 1961, Lenhert et Hodgkin ont confirmé l'existence de ce fragment et ont montré qu'il est fixé sur un atome de cobalt par une liaison carbone-cobalt. En 1962, Weissbach et ses collaborateurs ont eu suffisamment d'éléments pour décrire la biosynthèse des coenzymes de la vitamine B12. Cette vitamine est un anti-anémique qui se trouve en faible quantité dans le foie des bovidés, le lait et les fromages.
Outre les travaux qui lui ont valu le prix Nobel, la grande prouesse de Todd en synthèse organique mérite d'être signalée. En effet il a été le premier, avec ses collaborateurs, à synthétiser en 1948 cet important composé biologique qu'est l'A.T.P., ou adénosine trisphophate, qui joue le r61e de transporteur d'énergie dans les processus cellulaires demandant un apport énergétique. L'A.T.P. avait été découvert simultanément dans les extraits musculaires par C. Fiske et Y. Subbarow aux Etats-Unis, et par K. Lohmann en Allemagne (1929). En 1930, le chimiste allemand en déterminait la structure, et Todd la confirma d'une manière absolue dix-neuf ans plus tard. Aucun étudiant en biochimie n'ignore l'importance de cette substance dans ce que l'on appelle "le cycle de l'A.T.P." De nombreux travaux ont été effectués dans les années 30 pour déterminer son r61e dans les cellules vivantes. Toutes ces observations ont été rassemblées en 1941 par Fritz Lipmann dans l'hypothèse générale du transfert de l'énergie dans les cellules vivantes. Lipmann suppose que l'A.T.P. fonctionne de manière cyclique : l'A.T.P. est formé à partir à'A.D.P. (adénosine diphosphate) par des réactions de phosphorylation et aux dépens de l'énergie foumie par la dégradation de molécules de combustibles cellulaires. L'énergie de A.T.P. est libérée dans des processus de biosynthèse de macromolécules cellulaires, de transports ioniques de contraction des muscles. L'A.T.P., perdant son énergie, subit une coupure en A.D.P. et phosphate inorganique. L'A.D.P. est alors rephosphorylé aux dépens d'oxydations qui fournissent de l'énergie, et retransformé en A.T.P. Le cycle énergétique cellulaire est ainsi bouclé.
L'apport de Todd a permis de confirmer les processus chimiques que subit l'A.T.P. dans le cycle bioénergétique, et qui sont des processus fondamentaux. La bioénergétique lui doit beaucoup.
1. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1947.
2. Voir les notices sur les prix Nobel de chimie 1907 et 1929.
3. Rappelons qu'un certain nombre d'enzymes catalysent les réactions des substrats uniquement en présence d'un composé organique non protéique appelé coenzyme; si l'un des deux est absent, il n'y a pas de catalyse.
Pour ses travaux sur les structures des protéines et spécialement celle de l'insuline.
(Rendcombe, 1918 - )
Frederik Sanger est né en 1918 à Rendcombe, dans le Gloucestershire. Elève de la Bryanston School, puis du St John's College de Cambridge, il termine ses études en sciences naturelles dans cet établissement en 1939. Il entreprend alors des recherches au département de biochimie, à Cambridge, ville qu'il ne quittera jamais durant sa carrière professionnelle. De 1940 à 1943, sous la direction du Dr Neuberger, il étudie le métabolisme de la lysine, un amino-acide essentiel des protéines, surtout utilisé, depuis sa fabrication industrielle, dans l'alimentation du bétail. Sanger soutient sa thèse de doctorat en 1943. Pendant deux ans il bénéficie d'une bourse Beit Memorial. A partir de 1951, il entre au Conseil de la Recherche Médicale.
Depuis cette époque, presque tous ses travaux ont porté sur les déterminations de structure des pmtéines. Il n'était d'ailleurs pas le seul à s'occuper de ces substances naturelles très énigmatiques et très importantes, puisqu'elles interviennent dans toutes les réactions vitales de la nature (enzymes, hormones, virus, toxines ou anticorps qui, par vaccination, nous protègent de multiples infections). Il est certes possible d'observer les macromolécules protéiniques au microscope électronique; mais il reste difficile d'en distinguer les composantes structurales : seules des méthodes chimiques spécifiques mais indirectes peuvent apporter des informations sur la composition des protéines. Grâce aux travaux d'Emil Fischer, puis à ceux de Vincent du Vigneaud (1), et avec les perfectionnements apportés par Sanger, on dispose maintenant d'une bonne méthode de dégradation (2). Pour déterminer la structum primaire définie par la séquence des résidus amino-acides dans la chafne (et indépendamment de la configuration et de la conformation géométrique des chaînes), Sanger réalise les opérations suivantes : couper les chaînes polypeptidiques en peptides plus petits, établir la structure primaire des fragments peptidiques, déduire la séquence de la chaîne polypeptidique. L'originalité de la contribution de Sanger a été d'utiliser le l-fluoro-2,4-dinitrobenzène (D.N.F.B.), un colorant qui réagit spécifiquement avec les groupements NH2 terminaux des acides aminés en formant un dérivé dinitrophénylé (D.N.P.); ce demier résiste à l'hydrolyse, ce qui permet d'identifier l'amino-acide N terminal.
Sanger s'est alors attaché tout particulièmment à l'étude de l'insuline (3). L'oxydation de la molécule d'insuline conduit, dans une première étape, à deux chaînes peptidiques que l'on appelle A et B; la première comprend 21 amino-acides, la seconde 30; ces deux chaînes sont associées par une liaison sulfure S-S, comme l'a montré du Vigneaud. Une oxydation ménagée par des enzymes ou des acides faibles conduit à des fragments où le nombre des amino-acides est variable (2, 3, 4, 5 ou plus), et qui ont la même position que dans la molécule d'insuline. Grâce aux techniques de dégradation, au marquage des molécules par le D.N.F.B. et à la séparation des fragments colorés et variés par des procédés chromatographiques que Martin et Synge (4) venaient de mettre au point, Sanger réussit à caractériser tous les acides aminés et leur liaison dans la molécule d'insuline. C'était le premier exemple de l'établissement complet d'une structure d'hormone protéique. La confirmation en a été apportée par la restructuration du puzzle qui conduisit à la formule développée de l'insuline, de masse moléculaire 5800. Ce travail, terminé en 1955, fut à l'origine de l'établissement de nombreuses structures, comme celles de la ribonucléase (une chaîne, 124 résidus, masse molaire 13 700), du lysozyme, de la subtilysine (une des plus longues chaînes protéiques, comprenant 275 résidus, masse molaire 27 600), etc.
Aujourd'hui des méthodes perfectionnées permettent, à partir des deux chaînes A et B, d'obtenir l'insuline avec de bons rendements. Ce produit est hypoglycémiant, et on l'utilise pour soigner le diabète ou des états de maigreur aigue. Il s'emploie en injections sous-cutanée. Son action est rapide, mais fugace, aussi utilise-t-on des formes d'insuline dites "à retard", dont l'action est prolongée. La dose à prescrire est déterminée en fonction du régime alimentaire; toutefois une surveillance du taux de glycémie est nécessaire, car une trop forte dose peut entraîner des accidents graves, comme le coma insulinique dont l'antidote est le sucre.
Nous reviendrons ultérieurement sur les travaux de Sanger, puisqu'il recevra pour la deuxième fois le prix Nobel de chimie en 1980.
1. Voir les notices sur les prix Nobel de chimie 1902 et 1955.
2. Les molécules protéiques sont en effet très fragiles, et les méthodes usuelles de dégradation ne
sont pas toujours applicables, d'où l'importance de celle proposée par Sanger.
3. Cette substance avait depuis longtemps suscité l'intérêt des chercheurs, puisque, outre le prix de chimie de Vincent du Vigneaud, deux prix Nobel de médecine et de physiologie avaient été accordés en 1923 à F. G. Banting et J. McLeod "pour la découverte de l'insuline", et en 1947 à B. A. Houssay ainsi qu'à C. et G. Cori "pour l'établissement de l'influence de l'insuline sur le métabolisme du sucre".
4. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1952.
Pour l’invention et le développement de la méthode d’analyse polarographique.
Seul lauréat jusqu’à présent des pays de l'Est autres que l’U.R.S.S., Jaroslav Heyrovsky, fils d’un professeur d'Université de droit romain est né à Prague le 20 décembre 1890. Il entreprend en 1909 des études en chimie, physique et mathématiques à l'University College de Londres, où il sera l'élève de maîtres prestigieux comme W. Ramsay, W. C. MCC. Lewis et F. G. Donnan. Affecté durant la Première Guerre mondiale à l'hôpital militaire de Prague, il peut y continuer ses travaux de recherche et soutient un doctorat d'Université à Prague en 1918, puis, en 1921, un doctorat de sciences à Londres.
Sa carrière universitaire commence à l'Institut de chimie analytique de l'Université de Prague, où, comme assistant du professeur B. Brauner, il étudie les anomalies des courbes électrocapillaires. Or cette recherche, qui paraissait mineure, mais portait sur une question qui préoccupait son maître, débouche sur la découverte qui lui vaudra le prix Nobel. Il est en 1922 professeur associé, puis, en 1926, titulaire de la chaire de chimie physique de l'Université de Prague.
La découverte du principe de la polarographie date de 1922. Toute sa vie, Heyrovsky travaille sur le même sujet, élargissant le champ d'application de l'électrochimie à l'analyse chimique, et créant une brillante école de polarographistes tchèques. En 1950, il est nommé directeur d'un nouvel Institut de Polarographie intégré deux ans plus tard à l'Académie Tchécoslovaque des Sciences. Il a reçu de nombreuses décorations et titres honorifiques, dont celui de docteur honoris causa des Universités de Dresde (1955), Varsovie (1956), Aix-Marseille (1959) et Paris (1960), sans oublier ses nominations comme membre correspondant de plus d'une dizaine d'Académies étrangères.
Sept ans après Martin et Synge, le prix Nobel distingue à nouveau un spécialiste de chimie analytique, ce qui n'est pas étonnant si l'on se rappelle que cette branche trouve, outre ses débouchés industriels, des applications de plus en plus nombreuses en dehors de son propre secteur. Il est en effet très appréciable de disposer de méthodes simples (chromatographie, polarographie, méthodes électrochimiques annexes), fiables, rapides, précises et n'exigeant que de très faibles quantités d'échantillons. La polarographie est l'une de ces micro-méthodes indispensables à l'analyste moderne; et, telle qu'elle a été utilisée pour la première fois par Heyrovsky, l'analyse polarographique manuelle a seulement besoin d'un appareillage très simple. Il suffit d'un galvanomètre sensible de grande période (déviation d'environ 100 mm par microampère) et d'un potentiomètre de faible résistance (16 à 20 ohms). La figure 1 représente le schéma de principe d'un circuit polarographique :
En agissant sur le curseur du potentiomètre, on applique une différence de potentiel connue entre la plaque de mercure placée au fond de la cellule C et l'électrode à gouttes de mercure plongeant dans la cellule. Le courant polarographique résultant est mesuré par le galvanomètre G.
Les polarogrammes obtenus représentent les courbes de variation de l'intensité du courant polaro graphique en fonction du potentiel électrique appliqué (fig. 2) : Intensité
Heyrovsky améliora bientôt son appareillage pour arriver aux polarographes enregistreurs qui conduisent rapidement à l’obtention de courbes caractéristiques, comme celle représentée sur la figure 2. Une analyse polarographique consiste donc à réaliser d'abord l'électrolyse d'une solution placée entre deux électrodes, dont l'une (plaque) est maintenue à un potentiel fixe, et dont l'autre (électrode à gouttes) est soumise à un potentiel variable; puis à interpréter les variations de l'intensité en fonction de la différence de potentiel existant entre les électrodes. Pour éviter que l'oxygène atmosphérique ne donne une vague de réduction, on purge la cellule, maintenue à température fixe (généralement 25°C), en y faisant passer un courant d’azote. Sans entrer dans des détails que l'on trouvera aisément dans un ouvrage de méthodes électrochimiques d'analyse (1), on retiendra que le point le plus important du polarogramme est celui du potentiel de demi-vague, qui est fonction de la nature de l'ion étudié et sen à le caractériser. Lorsque plusieurs substances réductibles sont présentes eu solution, le polarogramme comporte plusieurs vagues, dont chacune correspond à uni substance déterminée que l'on peut identifier et doser.
L'analyse polaro-graphique permet ainsi la caractérisation de substances organiques et inorganiques, réductibles ou oxydables électrolytiquement. Il existe à cet effet des tables de potentiels de demi-vague, utilisables en analyse de routine.
Ilkovic, qui appartenait à l'école polarographique de Prague, a établi une relation entre l'intensité moyenne du courant de diffusion id et la concentration C (exprimée eu millimoles par litre) de la substance réduite ou oxydée. Lorsque le polarographe fonctionne dans des conditions standard où tous les facteurs de l'équation d'I1kovic sont stables, cette équation se réduit à la formulation simple : id = kC, où k est ce qu'on appelle la constante d'llkovic. Cette loi est vérifiée par les concentrations comprises entre 10 et 100 ppm.
Aujourd'hui, il existe de nombreux polarographes dans les laboratoires d'analyse, qu'ils soient académiques ou industriels. Cette technique est surtout utilisée par les industries nécessitant des dosages précis : alimentaires, pharmaceutiques, photographiques, métallurgiques, atomiques, pétrochimiques, etc.
Durant tout le reste de sa carrière scientifique, Heyrovsky s'est attaché à développer les méthodes d'analyse électrochimiques, telles que l'ampérométrie et la chronopotentiométrie. Un titrage ampérométrique consiste à réaliser l'électrolyse d'une substance sous un potentiel fixe correspondant à la valeur du courant de diffusion id du corps électrolysé, et à ajouter une solution titrée réagissant avec la substance à doser : le point d'équivalence corresspond au titre cherché. Cette méthode très sensible est appliquée au dosage de l'eau parle procédé Karl Fischer, et au dosage des groupements aminés libres des sulfamides à l'aide de l'acide nitreux. La chronopotentiométrie, qui concerne l'étude des variations chronométriques de la tension d'une microélectrode opérant à intensité constante, est généralement utilisée pour déterminer la concentration de substances électroattractives, ou les constantes d'équilibre et les constantes de vitesse des réactions.
Jaroslav Heyrovsky est mon à Prague en 1967.
