| Prix
Nobel de 1970 à 1974 |
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1970 : Luis F. Leloir (1906 - ) |
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1971 : Gerhard Herzberg (1904 - ) |
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1972 : Christian B. Anfinsen (1916 - ), Stanford Moore (1913 - 1982 ) et William Howard Stein (1911 - 1980) |
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1973 : Ernst Otto Fischer (1918 - ) et Geoffrey Wilkinson (1921 - ) |
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1974 : Paul John Flory (1910 - 1985) |
Pour la découverte du rôle des nucléotides-sucres (oses) dans la biosynthèse des hydrates de carbone.
(Paris, 1906 - )
Les parents de ce biochimiste argentin,
né à Paris le 6 septembre 1906, sont partis vivre à Buenos
Aires alors que leur fils n'était âgé que de deux ans. En
1932, Luis F. Leloir est docteur en médecine de l'Université de
Buenos Aires. Il commence alors une carrière de chercheur
scientifique à l'Institut de physiologie de la capitale
argentine sous la direction du professeur Bemardo A. Houssay (qui
recevra le prix Nobel de médecine en 1947). Ses travaux mettent
en évidence le rô1e de l'hypophyse dans le métabolisme des
hydrates de carbone. En 1936, il part travailler au laboratoire
de biochimie de Sir F. G. Hopkins, à Cambridge, en Angleterre;
il revient ensuite en Argentine où, aux côtés de J. M. Muiloz,
il s'intéresse au mécanisme d'oxydation des acides gras dans le
foie, et à la formation de l'angiotensine (un polypeptide).
En 1944, il se rend aux Etats-Unis, à Saint-Louis, où il est assistant du Dr C. F. Cori (futur co-lauréat du prix Nobel de physiologie-médecine de 1947 avec B. A. Houssay), qui s'intéresse aussi au métabolisme des hydrates de carbone. Il effectue en outte un séjour chez D. E. Green, à l'Université Columbia de New York. De retour en Argentine, il occupe les fonctions de directeur de l'Instituto de Investigaciones Bioquimicas, Fundacion Campomar, qu'il finance en partie avec ses revenus personnels. C'est avec ses premiers collaborateurs, R. Caputto, C. E. Cardini, R. Trucco et A. C. Paladini, qu'il va faire de grandes découvertes sur les donneurs de glucose. Nommé professeur à la Faculté des Sciences de Buenos Aires, il continue, avec l'aide de Nicolás Beluens, ses travaux sur le rô1e des polyprénols et du dolichol (1) dans les mécanismes de transfert du glucose dans les tissus du règne animal.
Il a reçu un nombre important de titres honorifiques et de distinctions, parmi lesquels celui de président de la Panamerican Association of Biochemical Societies.
Les hydrates de carbone comprennent les sucres (glucides, saccharides) et constituent les polysaccharides à haut poids moléculaire. Ils sont extrêmement importants en biologie. Leur biosynthèse apparaft comme un procédé d'une remarquable perfection, bien peu connu avant les recherches du savant argentin. Leur processus de dégradation biologique (combustion) restait aussi très confus. On pensait même que ces deux mécanismes (synthèse et dégradation) étaient réversibles. Publiés à partir de 1949, les travaux de Leloir sur les nucléosides-diphospho-sucres et leur r61e dans la synthèse du glycogène et des autres polysaccharides, constituent donc une avancée très importante dans le développement des connaissances sur la chimie des êtres vivants. C'est grâce à l'emploi de l'énergie lumineuse reque du soleil que les plantes sont capables de produire des sucres (hexoses) à partir de deux composés très simples et universellement répandus, le gaz carbonique et l'eau. Ces hexoses sont ensuite transformés en différentes substances polymériques de réserve ou de soutien, qui sont les polysaccharides (amidon, cellulose, etc.). Mais dans le cas des cellules animales ou chez les bactéries dépourvues de chlorophylle, les réactions de photosynthèse citées sont irréalisables : les molécules alimentaires sucrées sont alors transformées, par l'intermédiaire des acides aminés, du pyruvate, du lactate, etc., en glucose et en glycogène (ou glucogène).
Leloir a été l'un des premiers à proposer une hypothèse nouvelle à propos des transformations des sucres, des plus simples aux plus complexes, en évoquant la participation d'une substance inconnue mais essentielle. Après de difficiles travaux, il a réussi à isoler cette substance et à déterminer sa nature chimique, qu'il a décrite comme étant en partie un nucléotide associé à un sucre, d'où l'appellation de nucléotide-ose. Leloir a montré que la transformation des sucres ne pouvait s'opérer qu'au travers de ces substances nouvellement découvertes. Le premier nucléotide-sucre isolé fut appelé l'uridine-diphosphate-glucose : UDPG (2). Sa structure sera confirmée par sa synthèse directe, réussie cinq ans plus tard à Cambridge par l'équipe de Todd. Leloir et ses collaborateurs ont également remarqué que l'amidon (sans lien avec le galactose) contenait aussi de l'UDP-glucose, ce qui laissait supposer que cette substance devait intervenir dans d'aubzs métabolismes naturels. D'où la question rituelle, qui finit par devenir une plaisanterie dans les laboratoires de chimie de cette époque : à quoi sert-il donc, cet UDP-glucose?
Leloir a réussi à y répondre : cette substance et celles qui lui ressemblent (appelées aujourd'hui les donneurs) interviennent dans l'interconversion des oses, et plusieurs réactions sont à l'origine de ces conversions :
- l'épimération, qui régit l'exemple que nous venons de voir, soit le passage du glucose en galactose;
- le transfert où la partie nucléotidique d'un nucléotide-ose est transférée sur un autre ose;
- l'oxydation, qui conduit par exemple aux acides uroniques (3);
- la décarboxylation : celle de l'acide glucuronique, par exemple, conduit à la formation d'un pentose (xyloxe).
La contribution de Leloir et de son équipe a été aussi déterminante dans la synthèse du glycogène. Elle porte sur la découverte et la formation de chaihes de glucose par transfert à partir d'UDP-d-glucose grâce à une enzyme, le glycogène-synthétase; lorsque les chaînes sont assez longues (10 unités de glucose), une enzyme "branchant", une transférase, complète la biosynthèse du glycogène. Leloir a plus spécialement étudié la structum et les propriétés du glycogène hépatique natif, montrant l'existence d'une liaison labile tous les 50 000 résidus glycosidiques. Il a réussi à préparer du glycogène à haut poids moléculaire, obtenant un produit très voisin de la forme native.
Ensuite, après avoir isolé de nombreux nucléosides-diphosphosucres de la série des uridines, il a isolé un dérivé de la guanosine, et a montré que toutes les bases trouvées dans les acides nucléiques sont impliquées dans le métabolisme des hydrates de carbone chez les animaux supérieurs ainsi qu'au cours de la formation des parois des bactéries ou des cellules végétales.
Les travaux de Leloir et de tous ceux qu'il a inspirés à travers le monde sont à l'origine des études modernes sur la biosynthèse des polysaccharides animaux, microbiens et végétaux. Ils ont surtout levé le voile qui enveloppait cet important secteur de la biochimie.
1. Dolichol : alcool à longue chaîne trouvé dans le tabac.
2. Le mécanisme d'action de l'UDP-glucose agissant comme un co-facteur (ou un donneur) a été expliqué par Leloir en 1951 à propos de la réaction de transformation du galactose 1-phosphate en glucose 1-phosphate.
3. Acides-aldéhydes de formule générale COOH-(CHOH)4-CHO.
Pour sa contribution à la connaissance de la structure électronique et de la géométrie des molécules et en particulier des radicaux libres.
(Hambourg, 1904 - )
Ce physico-chimiste canadien d'origine allemande est né le 25 décembre 1904 à Hambourg. Après avoir fait ses études dans sa ville natale, il entre à l'Institut de Technologie de Darmstadt; il en sort en 1928 avec un dip16me de docteur-ingénieur. Il effectue alors des stages post-doctoraux à l'Université de Gottingen, chez J. Franck et Max Born, puis à l'Université de Bristol. En 1930 il est nommé privatdozent au département de physique de l'Institut de Technologie de Darmstad. Mais, chassé d'Allemagne par les nazis dès août 1935, Herzberg se réfugie au Canada, où un poste de professeur invité lui a été offert à l'Université du Saskatchewan. Quelques mois plus tard il est nommé professeur de recherche, fonction qu'il exerce jusqu'en 1945. Entre 1945 et 1948, il part aux Etats-Unis occuper la chaire de professeur de spectroscopie au Yerkes Observatory de l'Université de Chicago. Il revient au Canada en 1948 comme principal research officer, et on lui propose peu de temps après la direction du département de physique au National Research Council. Cette responsabilité est dédoublée en 1955, et Herzberg garde alors celle de la division de physique pure jusqu'en 1969. Depuis son départ à la retraite il occupe à Ottawa un poste créé exceptionnellement à son intention par le gouvemement canadien afin de lui permettre de poursuivre ses recherches personnelles sans aucune charge enseignante ni administrative.
Gerhard Herzberg a reçu de nombreuses distinctions honorifiques. Il a sans doute été dans les années 1960 le meilleur spécialiste mondial de la spectroscopie moléculaire, et son centre de recherche d'Ottawa est une institution aussi connue que le sont par exemple le laboratoire Cavendish de Cambridge ou les Instituts Curie et Pasteur de Paris.
Ses premiers travaux en physique datent de l'année 1927, lorsqu'il se trouve à Darmstadt, en Allemagne, où il prépare sa thèse sur la spectroscopie électronique de la molécule d'hydrogène. C'était l'époque où la mécanique ondulatoire, proposée par Louis de Broglie dès 1923, connaissait son plein essor, notamment par suite des développements que Schrodinger lui avait apportés. Celui-ci, en 1926, avait montré que la mécanique ondulatoire et la mécanique des matrices étaient équivalentes, ouvrant ainsi la voie à une discipline unitaire, la mécanique quantique. Il avait en outre formulé la fameuse équation qui porte son nom, et qui permet de vérifier l'onde associée à une particule. En quelques années la physique parvenait à rendre compte d'un grand nombre de phénomènes restés inexpliqués, en particulier à propos de la liaison chimique. Herzberg a l'idée d'appliquer la mécanique ondulatoire à la spectroscopie, et par là à la détermination des structures atomiques, radicalaires et moléculaires. Ses premières investigations l'amènent à mesurer l'absorption par les molécules de l'énergie radiante dans l'ultraviolet et l'infrarouge (donc en dehors du visible). A partir de là, il essaie d'obtenir des renseignements sur le volume et la taille de la molécule, ainsi que sur ses propriétés, en particulier celles qui concement la liaison chimique. Cette période des travaux d'Herzberg, située à la fin des années 20 et au début des années 30, est l'une des plus intéressantes pour l'histoire des sciences; elle traduit déjà ce que sera son oeuvre, une interprétation théorique des spectres (obtenus avec une très grande précision pour l'époque) et l'apport de la spectroscopie aux autres chapitres de la physique et de la chimie.
Trois exemples en témoignent clairement : la finesse de la spec troscopie a en premier lieu conduit Herzberg à déduire que la statistique de Bose-Einstein (1) s'applique au noyau d'azote, d'où il conclut que les électrons n'existent pas en tant que tels dans les noyaux atomiques, contrairement à ce que l'on admettait auparavant. Il a d'autre part montré qu'il existe des corrélations entre les états électroniques des molécules et ceux de leur produit de dissociation, ce qui permet de déterminer les énergies de dissociation moléculaire et de comprendre les mécanismes et les vitesses de réactions photochimiques primaires. Enfin il a effectué, avec Teller, un travail remarquable sur la structure vibrationnelle des transitions électroniques de molécules polyatomiques; cela explique par exemple l'apparition sur le spectre ultraviolet du benzène de la bande vibrationnelle à 2600 A, particulièrement bien observable à l'état gazeux ou en solution apolaire. Cette transition, interdite par les règles de sélection en spectroscopie UV, s'explique par un couplage vibronique entre états électroniques écartés en énergie.
Dans les années 1930, c'est la spectroscopie infrarouge qui mobilise toute son attention. Il travaille sur le gaz carbonique, l'acétylène, l'acide cyanhydrique, obtenant pour ces molécules simples des spectres d'une résolution jamais atteinte par spectroscopie photographique dans le proche infrarouge. De là naît son intérêt pour l'étude de l'espace interstellaire et pour celle de l'atmosphère des planètes et des comètes. En 1945, l'observatoire Yerkes de Chicago lui demande de remettre en fonctionnement un laboratoire de spectroscopie devenu obsolète. Après l'avoir réorganisé et bien outillé, il y étudie notamment les spectres d'absorption de gaz dans des cuves à réflexion ayant un trajet optique d'environ 5000 m : une gageure pour l'époque! Le but était de comparer ces spectres avec ceux que l'on obtenait à partir des atmosphères planétaires. Dans les conditions de température et de pression ambiantes, l'hydrogène, dont la molécule ne possède pas de moment dipolaire permanent, ne donne pas de spectre de vibration. Herzberg a suggéré, puis démontré, que le moment dipolaire induit par une augmentation de pression permet d'observer le spectre vibrationnel de cette molécule et de déceler ainsi sa présence dans un mélange gazeux.
Revenu au Canada en 1948, il installe le fameux laboratoire d'Ottawa, où, entouré de chercheurs brillants, il donne toute la mesum de son génie créateur. Il fait construire des spectrographes à haute résolution; il développe la technique de la photolyse et de la radiolyse. Il met tout particulièrement au point des cellules d'échantillon spécialement adaptées à l'étude des radicaux libres, car il est très difficile d'étudier ces entités extrêmement labiles, leur durée de vie se mesurant en fractions de seconde; cependant la connaissance des propriétés de ces composés intermédiaires est de toute première importance pour comprendre la façon dont se déroule une réaction chimique. Il a ainsi étudié les caractéristiques d'environ une trentaine de radicaux libres, parmi lesquels on compte le méthyl et le méthylène (fondamentaux en chimie organique), ainsi que HCO, HNO, CH+, NH+, C2-, C2+, N2++, NO+; le C3 et le NH2 émetteurs de spectres cométaires, ont fait l'objet de recherches extrêmement importantes. Dans le spectre des poussières interstellaires, il observe des raies diffuses qu'il attribue soit au radical CH4+, soit au radical H3+. C'est lui également qui découvre le premier ion moléculaire négatif C2- existant à l'état existant à l'état libre, d'où il parvient à la conclusion que la géométrie moléculaire du radical libre s'accroît avec son énergie : par exemple, le méthylène CH2 est linéaire à l'état fondamental, alors qu'à l'état occupé il prend une forme angulaire. Dans les années 1950-1960, de nombreuses études sur les spectres d'absorption de molécules diatomiques et polyatomiques sont sorties du laboratoire de Herzberg. Ce haut lieu de la spectroscopie moléculaire accueille chaque année de nombreux stagiaires venant des quatre coins du monde.
1. Cette statistique s'applique aux particules de spins entiers appelées bosons, et qui n'obéissent pas au principe de Pauli, mais à la loi de distribution statistique bien connue des physiciens :
n = (exp((E-µ)/RT)-1)-1
Cette formule montre qu'aux basses températures toutes les particules tendent vers l'état de plus basse énergie correspondant à E = p, p étant le potentiel chimique. Dans le cas précis d'un système de particules dont le nombre N n'est pas fixé, on montre que p. doit être pris comme nul. Aux températures élevées, cette statistique tend vers celle de Boltzmann, dans laquelle n est proportionnel à exp(-E/RT), si l'on considère les particules comme discernables.
Pour ses travaux sur la ribonucléase et spécialement pour ceux concernant la connexion entre la séquence des acides aminés et l'activité biologique conformationnelle.
(Monessen, 1916 - )
Christian B. Anfinsen est né à
Monessen, en Pennsylvanie, le 26 mars 1916. Sorti du collège en
1937, il entreprend à l'Université de Pennsylvanie des études
de chimie qu'il achève en 1939 avec le dip16me de Master of
Science. Après avoir effectué en 1939-1940 un stage au
Carlsberg Laboratory de Copenhague, il revient aux Etats-Unis
préparer son Ph. D., qu'il soutient en 1943 à la Harvard
Medical School, où il continue sa carrière universitaire comme
instructeur, puis comme assistant. En 1950 il entre une première
fois au National Institute of Health, NIH à Bethesda, dans le
Maryland, où il reste douze ans. Revenu en 1962 à la Harvard
Medical School pour y occuper le poste de professeur de chimie
biologique, il retoumera ensuite jusqu'à sa retraite au N.I.H.,
dans le service de cardiologie.
Il a entrepris l'édition des Advances in Protein Chemistry, et nous a laissé un important ouvrage : The Molecular Basis of Evolution, paru en 1959.
La molécule de ribonucléase, relativement petite (formée de 124 résidus d'amino-acides), se prête facilement à une étude structurale. Comme elle ne joue pas un v51e vital essentiel, c'est son intérêt du point de vue chimique qui a attiré l'attention de C. H. Anfinsen, ce qui justifie l'attribution du prix Nobel en chimie et non en physiologie et médecine. L'étude qu'il en a faite a constitué un véritable modèle pour les travaux ultérieurs. Ses recherches se caractérisent par la proposition de conceptions nouvelles et la précision de leur vérification expérimentale. Anfinsen et ses collaborateurs ont montré l'importance de la séquence en monoacide dans la détermination de la conformation native de la ribonucléase. Ainsi le traitement de la ribonucléase native avec de l'urée en présence d'un réducteur, le S-mercaptoéthanol, provoque un déroulement complet de la molécule, qui se replie "au hasard". Dans ce processus de dénaturation, les quatre ponts disulfure (S-S) formés par les cystéines de la ribonucléase sont coupés et couverts en huit cystéines (portant des gmupements S-H). Ce déroulement et le clivage des liaisons S-S provoquent une perte complète de l'activité enzymatique. En revanche, quand l'urée et l'agent réducteur sont lentement éliminés de la solution (par dialyse, par exemple), l'activité de la ribonucléase réapparaft progressivement, ce qui indique que, même après dénaturation, la chaihe polypeptidique de la ribonucléase contient encore l'information nécessaire pour revenir à la structure tertiaire catalytiquement active.
Ainsi, dès 1962, la preuve était faite que la séquence des résidus déterminée par le code génétique détermine à son tour les autres structures des protéines; résultat d'une importance capitale. Dans le processus de renaturation de la ribonucléase, les huit cystéines (S-H) se réoxydent grâce à l'oxygène atmosphérique, et rétablissent ainsi les quatre ponts disulfure; ceux-ci impliquent les mêmes paires de cystéines que la molécule native. Or, bien que le calcul de probabilités montre que les huit cystéines d'une seule chaîne polypeptidique peuvent former jusqu'à 105 ensembles de ponts di sulfure différents, seul l'ensemble qui était présent dans la molécule de ribonucléase native sera formé.
Au cours des années 1970, Anfinsen et son équipe ont travaillé sur une nouvelle nucléase extracellulaire de staphylococcus aureus. Ils ont déterminé la séquence des 149 amino-acides qui la composent, et ont décrit ses propriétés enzymatiques, chimiques et immunologiques, faisant appel à toutes les techniques modernes de la chimie, de la spectroscopie et de la chromatographie. Pour affiner ses travaux, Anfinsen, en collaboration avec Cuatrecasas, a mis au point le principe de la chromatographie d'affinité, qui rend depuis lors d'immenses services pour la purification et l'identification des cibles hormonales des membranes plasmiques dans les cellules eucaryotiques (1), et pour l'identification des acides aminés dans une chaîne polypeptidique, ainsi que la détermination de leurs sites actifs.
La nucléase de staphylococcus perd son activité biologique et sa conformation native quand elle est acidifiée à pH3; à la neutralité pH7, l'activité est rapidement récupérée.
A partir de ces expériences de renaturation d'autres protéines globulaires, il est maintenant tout à fait bien établi que la séquence en amino-acides détermine la structure tertiaire spécifique des protéines globulaires; celle-ci est ainsi le résultat des différents types de contraintes exercées sur les possibilités de libre rotation autour des liaisons simples de la chaîne polypeptidique. La conformation des chaînes, résultant de contraintes variées, locales ou à distance, impose l'activité biologique particulière.
Anfinsen et ses collaborateurs ont également montré que les microsomes (particules cytoplasmiques dont les dimensions varient de 5 à 300 millionièmes de millimètre) catalysent l'oxydation des groupes SH des formes réduites et inactives de la ribonucléase et d'autres protéines, par la formation de ponts disulfure.
Pour leur contribution à la connaissance des connexions entre la structure chimique et l'activité catalytique du centre actif de la molécule de ribonucléase.
(Chicago, 1913 - New York, 1982)
Stanford Moore est né à Chicago en 1913. Après des études au collège de Nashville, il entre à l'Université Vanderbilt, où son père enseigne le droit. Il y suit les cours de l'école d'ingénieurs en aéronautique, où il acquiert le goût des appareillages scientifiques et techniques; mais l'enseignement dispensé en chimie organique par Arthur Ingersoll le convaincra bient6t de se tourner vers les passionnants problèmes posés par l'étude de la structure moléculaire dans l'espace. Bachelor of Arts en 1935, il entreprend des recherches au Wisconsin Alumni Research Foundation, et y soutient en 1938 la thèse de Ph. D. en chimie organique qu'il a préparée au laboratoire de Karl Paul Link. Ce demier, après un stage chez Pregl (2) à Graz, enseignait à ses élèves les techniques de la micro-analyse, qui seront d'une grande utilité pour Stanford Moore, lorsque, après avoir fait ses premières armes sur le problème de la caractérisation des carbohydrates comme dérivés du benzimidazole, il entreprendra ses recherches sur les protéines.
Lorsque Max Bergmann quitte l'Allemagne en 1939 et vient à New York pour diriger le Rockefeller Institute for Medical Research, Stanford Moore, sur recommandation de K. P. Link, est admis dans ce centre prestigieux, où il commence à travailler sur les protéines et les enzymes. C'est là que débute sa collaboration avec W. H. Stein. Mais la guerre interrompt sa carrière de chimiste; il sert d'abord comme officier à l'Office de Recherche Scientifique et de Développement, à Washington, avant d'être affecté à Hawaï à l'Etat-Major de l'armée américaine.
Après la fin des hostilités, il revient à l'Institut Rockefeller. L'ancien directeur Max Bergmann est alors décédé, et le nouveau directeur alloue à Moore et Stein un modeste laboratoire où ils peuvent reprendre leurs travaux. Cest là qu'ils feront les découvertes qui leur vaudront le prix Nobel de chimie.
Stanford Moore a séjoumé durant plus d'une année en Europe : à l'Université de Bruxelles, dans le laboratoire d'analyse des amino-acides de E. J. Bigwood; et à l'Université de Cambridge, où il a pris part aux travaux de Frederick Sanger sur l'insuline (3). En 1968 il a d'autre part été professeur invité à l'Ecole de Médecine de l'Université Vanderbilt. Il a reçu de nombreuses distinctions, parmi lesquelles le grade de docteur honoris causa de l'Université de Paris en 1964.
Il est décédé à New York en 1982.
(New York, 1911 - New York, 1980)
William Howard Stein est né le 25 juin 1911 à New York. Il a commencé ses études à la Lincoln School de sa ville natale, puis est entré à l'âge de seize ans dans une école préparatoire, la Phillips Exeter Academy, en Nouvelle Angleterre, où il a, selon son propre témoignage, reçu un enseignement rigoureux et une excellente préparation à l'expression écrite. Admis h Harvard, il entreprend des études de chimie, mais un échec en chimie organique l'incline à se diriger vers la biochimie. Il s'inscrit alors au cours du Département de Biochimie de l'Université Columbia, à New York. Après avoir obtenu son diplôme de fin d'études, il entreprend une thèse sur l'analyse des acides aminés de l'élastine, scléroprotéine des tissus élastiques, des ligaments et des parois des artères, qui joue un rô1e important dans les maladies coronariennes. L'ayant soutenue en 1937, il entre directement au laboratoire de l'Institut Rockefeller, et travaille dès lors en collaboration avec Stanford Moore.
William Stein est décédé à New York en 1980.
Ces deux chercheurs se complétaient admirablement : l'un, ingénieur de l'aéronautique, était doté d'un grand sens pratique; l'autre disposait d'une vaste culture chimico-physique.
Connaître la structure d'une enzyme sans déterminer ses sites actifs ne présente qu'un intérêt secondaire pour le biochimiste. Moore et Stein on découvert un principe pour détecter le ou les amino-'acides d'une chaîne polypeptidique doués d'une réactivité particulière ne se manifestant pas lorsqu'ils sont à l'état libre. C'est cette réactivité exaltée qui explique l'action catalytique de l'enzyme. Ils ont ainsi pu déterminer le site actif de la ribonucléase bien avant que sa structure tridimentionnelle ait été établie. Ils ont montré qu'il s'agissait de deux résidus spécifiques de l'histidine. Ces résultats ont été acquis grâce à la mise au point d'une technique chromatographique permattant de déterminer la composition des protéines en amino-acides (4). L'automatisation de cette technique (grâce à des servo-mécanismes) a permis de faire une analyse complète en quelques heures, là où il fallait auparavant passer plusieurs semaines. Moore et Stein ont bénéficié des travaux de Martin et Synge (5) en chromatographie, et ils ont élargi la brêche ouverte par les travaux de Sanger sur les protéines, et notamment sur l'insuline. Ils ont eux-mêmes permis l'accès au code génétique et aux études structure-fonction dans les protéines.
Leurs travaux, qui ont porté principalement sur la ribonucléase A du pancrdas de boeuf, ont été étendus par la suite à une protéase bactérienne (enzyme qui hydrolyse les protéines en leurs éléments constitutifs) et à la désoxyribonucléase pancréatique (qui catalyse l'hydrolyse des acides désoxyribonucléiques en nucléotides). Ils ont aussi effectué des recherches de caractère plus médical sur l'arthrite et les maladies du métabolisme.
Aussi complexes que soient les mécanismes vitaux, ils peuvent, comme nous venons de le voir, être étudiés par les méthodes qu'utilise habituellement la chimie. Ainsi l'espace qui sépare la chimie de la biologie (comme de la physique) se rétrécit de jour en jour.
1. Se dit des cellules des organismes supérieurs animaux et végétaux, par opposition à procaryotiques, qui s'applique aux bactéries.
2. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1923.
3. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1958.
4. Selon cette technique, les amino-acides sont séparés sur une colonne d'échangeurs de cations, constituée de particules solides d'une résine de polystyrène sulfone "préalablement équilibrée avec une solution de NaOH, de façon à ce que les groupements acides sulfoniques soient complètement "chargés" avec Na+. La résine est alors dite sous forme sodium; elle peut aussi être préparée sous forme protonique ou forme hydrogène par lavage avec un acide. A la résine sous forme sodium est ajoutée une solution acide (pH = 3,0) d'un mélange d'amino-acides; à pH = 3,0, les amino-acides sont sous forme de cations avec une charge positive nette. Les amino-acides sous forme cationique ont tendance à déplacer les ions Na+ liés aux particules de résine; l'importance des déplacements varie faiblement selon les différents amino-acides en raison des différences légères dans leur degré d'ionisation. A pH = 3,0 la plupart des amino-acides basiques (lysine, arginine et histidine) seront solidement liés à la résine par des forces électrostatiques, et les plus acides (acide glutamique et acide aspartique) seront les moins liés. Lorsqu'on augmente graduellement le pH et les concentrations en NaC1 de la solution aqueuse d'élution, les amino-acides migrent dans la colonne à des vitesses différentes et peuvent être collectés par petites fractions. Ils sont analysés quantitativement par la réaction à la ninhydrine. Une courbe d'élution est alors construite.
Pour leurs travaux précurseurs - effectués indépendamment - en chimie des organométalliques sur les molécules appelées composés sandwich.
Selon le rapporteur de l'Académie des Sciences de Stockholm, Fischer et Wilkinson "ont révolutionné la chimie des organométalliques." Pourtant, nous le savons déjà, V. Grignard et A. Werner (1) avaient établi les fondements de ce que l'on appelle la chimie des organométalliques et la chimie coordinative. D'autres ont poursuivi dans cette voie, tout particulièrement Kealy et Panson, qui ont réussi en 1951, alors qu'ils cherchaient à synthétiser le fulvène, à coupler le bromure de cyclopentadiényle-magnésium à l'aide du chlorure ferrique. Au lieu d'obtenir le fulvène, ils ont isolé un composé organométallique du fer, de composition C10H10Fe. La structure de ce composé très stable a été établie par Wilkinson. Des travaux plus détaillés ont montré que ce composé représentait un nouveau type de système aromatique. On comprit bien vite que le fer n'était pas le seul métal à former des "pi-cyclopentadiényle", selon l'expression usitée, et de nombreuses équipes se mirent à déterminer la nature et l'étendue de la chimie des métaux cyclopentadiényle. On connaît aujourd'hui les dérivés de presque tous les métaux de transition, des métaux des groupes principaux et des métalloïdes.
Une autre découverte, celle des complexes benzénoïdes des métaux, a également une grande importance. En 1919, le chimiste allemand Hein avait observé que l'action du bromure de phénylmagnésium sur le chlorure chromique produisait un mélange "d'iodures de polyphénylchrome". La composition exacte de ces composés est restée peu connue jusque dans les années 1950. En coopération avec Onsager (2), Zeiss et ses collaborateurs ont proposé des structures "sandwich" à liaison x pour les composés isolés par Hein. En 1956, Zeiss et, indépendamment, E. O. Fischer ont réussi à isoler le prototype bis-(benzène) chrome.
Quelques années après, il devint clair que les structures sandwich à liaison pi observées n'étaient pas du tout uniques. On a préparé une grande diversité de tels complexes, incluant des composés qui renferment des anneaux différents, par les méthodes les plus diverses. Mais sans aucun doute c'est une chimie que nous appellerons "du type Grignard" qui a permis la conquête de cet important domaine.
Quelle est la part réelle prise par les deux lauréats de 1973 dans le développement de ce nouveau secteur de recherche? Leurs travaux ont modifié la physionomie de la chimie moléculaire dans son ensemble, non seulement en ouvrant de nouvelles perspectives de progrès en chimie de coordination, mais surtout parce que cette ouverture s'est produite au point de contact entre les chimies organique et inorganique. Les deux chercheurs, en développant des familles de composés sandwich, ont contribué à effacer les frontières qui cloisonnaient la chimie traditionnelle. Leurs travaux sont d'autant plus importants que l'intérêt des complexes pi n'est pas seulement théorique, puisque certains ont trouvé des applications comme catalyseurs de polymérisation.
(Munich, 1918 - )
Ernst Otto Fischer est né le 10 novembre 1918 à Solln, près de Munich, ville où son père enseignait la physique à l'Ecole Supérieure Technique. Après avoir accompli sa scolarité primaire, il continue ses études au Teresiengymnasium, dont il sort en 1937 avec son baccalauréat. Il accomplit la période de travail obligatoire alors imposée aux jeunes gens par le régime hitlérien, puis son service militaire, mais c'est alors qu'éclate la Deuxième Guerre mondiale, qui le conduit en Pologne, en France et en U.R.S.S. Durant son congé militaire de l'hiver 1941-1942, il commence des études de chimie à l'Ecole Technique Supérieure de Munich. De retour au front, il est fait prisonnier, et c'est seulement à sa libération, à l'automne 1945, qu'il peut reprendre ses études à Munich, pour les terminer en 1949.
Le professeur de chimie minérale Walter Hieber lui offre alors un poste d'assistant, et il commence à préparer sa thèse sur "le mécanisme des réactions de l'oxyde de carbone sur des sels de nickel (II) et de cobalt (II)". Il la soutient en 1952, et poursuit des travaux à l'Ecole Technique Supérieure sur la chimie des complexes de métaux. Après avoir obtenu en 1954 le grade de docteur en récompense de ses travaux sur les liaisons dans les métaux cyclopendiènes, il se voit proposer un an plus tard un poste de mztre de conférence dans le même établissement. En 1956, il effectue un stage de plusieurs mois dans des laboratoires américains. En 1957 enfin, il est nommé professeur à l'Université de Munich, où il effectue les recherches qui lui vaudront une notoriété intemationale et le prix Nobel.
Pour faire connaitre ses travaux à l'étranger, il a donné une série de conférences aux Etats-Unis, en Australie, au Vénézuéla, au Brésil, en Israël, au Liban, et dans la plupart des pays européens, y compris l'U.R.S.S. Il a reçu plusieurs distinctions et titres honorifiques, et a été, de 1969 à 1973, professeur invité de plusieurs Universités américaines (Wisconsin, Floride, Massachussets, Rochester).
Fischer est l'artisan qui a su asservir les espèces fugaces. En effet, avec les métaux de transition, il a maîtrisé les carbènes, qui sont des entités labiles par suite d'un état inhabituel du carbone (3). Instables, ces entités ne sont pas isolables, mais elles jouent un rôle extrêmement important dans de nombreuses réactions chimiques. En les fixant sur un métal comme le chrome, le nickel ou le tungstène, Fischer a réussi à fabriquer des complexes qu'il a piégés et stockés, et dont il a déterminé la durée de vie; puis il les a transférés ou introduits dans d'autres entités moléculaires. Plus tard, il s'est intéressé aux complexes carbyniques, encore plus instables et encore plus réactifs.
Ses recherches se rapprochent de celles de Wilkinson en ce qu'il a comme celui-ci préparé et décrit les complexes x-arené-métal contenant des carbocycles différents. En 1958, il a préparé un cyclopentadiényle-beneène-chrome, suivi, cinq ans plus tard, par l'obtention du cyclopentadiényle-cycloheptatriényle-chome.
(Springside, 1921 - )
Né le 14 juillet 1921 à Springside, dans l'ouest du Yorkshire, Geoffrey Wilkinson a été très t6t attiré par la chimie, car la famille de son oncle possédait une petite usine chimique fabriquant des sels d'Epsom et de Glauber, où il s'est rendu souvent étant enfant, comme il le rappelle lui-même dans sa notice biographique : "Je jouais dans le petit laboratoire de mon oncle, et je l'accompagnais souvent dans les visites qu'il faisait d d'autres entreprises chimiques." Après avoir accompli ses études primaires, il obtient en 1932 une bourse qui lui permet d'entrer dans un établissement secondaire de Todmorden jouissant d'une excellente renommée. En 1935, grâce à une autre bourse, il peut continuer ses études à l'Imperial College of Science and Technology, dont il sort dipl6mé en 1941. Ses premiers travaux portent sur les complexes des métaux de transition. Au début de la guerre, il participe à l'équipe du professeur H. V. A. Briscoe, mais, à partir de 1942, il rejoint le professeur F. A. Paneth, qui recrutait de jeunes chimistes pour travailler sur l'énergie nucléaire. En janvier 1943, il est envoyé au Canada, où, jusqu'en 1946, il effectue des recherches dans les centres nucléaires de Montréal et de Chalk River. Il propose alors ses talents à G. T. Seaborg (4), qui l'accepte dans son équipe du Radiation Laboratory à Berkeley : Wilkinson y coopère aux travaux de création de nouveaux isotopes déficients en neutrons.
En 1949, lors d'un séjour en Angleterre, il apprend par son ancien maître H. V. A. Briscoe qu'il n'a aucune chance d'obtenir un poste dans l'organisme britannique de recherche sur l'énergie atomique. Il repart donc aux Etats-Unis et, comme assistant chercheur au Massachussets Institute of Technology, il reprend à partir de 1950 ses tout premiers travaux sur les complexes de métaux de transition avec les composés carbonylés et les carbures éthyléniques. Il est nommé dès l'année suivante professeur assistant à l'Université de Harvard, et continue ses recherches à la fois en chimie nucléaire et sur la complexation des oléfines. C'est là qu'il prend connaissance du célèbre article de Kealy et Panson, paru dans la revue Nature en 1952, qui va orienter ses travaux de façon décisive. De retour en Angleterre en décembre 1955 après un stage de neuf mois comme boursier à Copenhague auprès du célèbre J. Bjerrum, il est nommé en janvier 1956 professeur titulaire de la chaire de chimie inorganique à l'Imperial College de l'Université de Londres. Avec quelques chercheurs et quelques stagiaires post-doctorat, il accomplit alors les travaux qui lui vaudront le prix Nobel de chimie, et dont les plus remarquables concernent les complexes organométalliques du ruthénium, du rhodium et du rhénium. Certains ont donné lieu à des applications intéressantes dans les réactions d'hydrogénation et d'hydroformylation des oléfines en milieu homogène.
Il a reçu de nombreuses distinctions, parmi lesquelles, en 1968, la médaille Lavoisier. C'est à Wilkinson que revient le mérite d'avoir mis au point le premier catalyseur de cette famille pour hydrogénation en phase homogène. Ce catalyseur, le chlorotristriphénylphosphine-rhodium, permet l'addition sélective d'une molécule d'hydrogène sur certains sites insaturés organiques. Très pratique, cette découverte a rendu possible une réelle amélioration de nos conceptions sur la catalyse. Dans ses travaux en phase homogène, le chercheur britannique a mis à profit l'ensemble des techniques spectroscopiques dont disposait un laboratoire bien outillé de l'époque. Il a ainsi décrit la nature des intermédiaires dans lesquels catalyseur, réactif et substrat sont associés, et les mécanismes de transferts chimiques du métal au substrat.
Ces remarques ont pu être appliquées à la catalyse hétérogène où les mesures sont plus difficiles et les résultats moins évidents. La catalyse reconnaissait depuis longtemps l'existence de combinaisons transitoires, mais elle n'avait jamais pu les isoler jusqu'alors.Wilkinson a fait une véritable révolution en montrant qu'on pouvait isoler et conserver des composés réactionnels transitoires stables, à condition d'utiliser judicieusement des entités coordinées au métal. Il a poursuivi ses travaux avec pour objectif l'activation de substances saturées inertes comme les paraffines. L'intérêt pratique de ces résultats, qui consistent à ancrer un centre actif sur des produits chimiques abondants et peu coûteux, est inestimable. L'industrie chimique en a fait un bon usage pour revaloriser des produits n'ayant eu jusque là qu'une faible valeur maxhande.
Avoir préparé de nouveaux complexes, donné le jour à une nouvelle chimie, stabilisé des intermédiaires réactionnels labiles, créé de nouvelles techniques de synthèse, activé des substances inertes ou peu réactives, explicité les étapes intermédiaires des réactions, autant de mérites qui reviennent à Emst Otto Fischer et Geoffrey Wilkinson. Les conséquences de leurs travaux sont encore perceptibles dans les synthèses organiques de ce qu'on appelle aujourd'hui la "chimie fine".
1. Voir les notices sur les prix Nobel de chimie 1912 et 1913.
2. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1968.
3. Par exemple le dichlorocarbène (CC1 ) n'a que six électrons de valence autour du carbone, et, bien qu'électriquement neutre, il est extrêmement actif.
4. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1951.
Pour ses travaux théoriques et expérimentaux dans le domaine de la chimie physique macromoléculaire.
(Sterling, 1910 - 1985)
Une nouvelle fois est à l'honneur un spécialiste des macromolécules; mais le lauréat de 1974 est quelque peu atypique. Il s'agit en effet d'un industriel reconverti tardivement à la carrière universitaire. Ce cas, très courant aux Etats-Unis, mais encore rare en France, donne l'exemple d'une bonne collaboration entre l'industrie et l'Université. Il n'est donc pas étonnant que Paul John Flory, en s'attachant aux problèmes théoriques et à la recherche fondamentale, ait toujours gardé en vue l'application technique et l'utilisation possible de ses travaux sur les polymères.
Paul John Flory est né à Sterling, dans l'Illinois, en 1910. Ce n'est qu'après avoir travaillé dans différentes firmes américaines, de 1934 à 1938, par exemple, chez du Pont de Nemours, auprès de W. H. Carothers, l'inventeur du nylon, qu'il a entrepris une carrière universitaire, tout d'abord à l'Université Cornell, à New York, de 1948 à 1956; et il a notamment enseigné à l'Université Stanford à partir de 1961.
Flory commence ses recherches scientifiques à une époque où, par manque de travaux théoriques, on ne sait pas ce qui se passe au cours de la polymérisation, de même que l'on ignore comment s'opère la distribution des poids moléculaires dans un échantillon de polymères. Il est toutefois établi qu'une polymérisation résulte d'une réaction de polyaddition et de polycondensation. Dans la polyaddition, tous les atomes de chaque molécule de monomère vont faire partie intégrante de la molécule de polymère. Dans la polycondensation, certains atomes des monomères sont arrachés et se retrouvent sous la forme de mùolécules d'eau, d'alcool, d'ammoniac, etc. Quelques polymères, comme par exemple le polyéthylène-glycol, sont formés soit par l'un, soit par l'autre type de polymérisation. Paul John Flory, qui a entrepris l'explication théorique des réactions de polymérisation, a posé comme postulat de départ que la réactivité d'un monomère est indépendante de la longueur de la chaîne à laquelle il sera attaché. Cette hypothèse lui a permis de formuler les règles qui régissent la formation des réseaux tridimensionnels. Grâce aux liaisons chimiques intermoléculaires et aux réactions de pontage entre les chaînes, on obtient en effet des réticulations dont les conséquences sur les propriétés physiques des macromolécules sont extrêmement importantes; elles sont dues à l'accroissement de la masse moléculaire et à la restriction de la mobilité des chaînes. Ainsi, la création de deux ponts intermoléculaires par chaîne polymérique suffit pour lier les unes aux autres toutes les molécules qui constituent le continuum macromoléculaire.
L'introduction d'un très petit nombre de ponts intermoléculaires entraîne une diminution notable de la solubilité et tend à produire un polymère sous forme de gel. Ce polymère à faible taux de réticulation n'est pas tout à fait insensible à l'influence des solvants, comme le sont en général les monomères initiaux. Les gels gonflent, c'est-à-dire qu'ils augmentent de volume par fixation variable de solvant. Pour un degré de réticulation plus élevé, le polymère fixe encore moins du solvant dans lequel il baigne. Les polymères qui, par chauffage, se tranforment en un matériau hautement réticulé, deviennent durs, infusibles et insolubles dans les solvants. Cette insensibilité progressive aux solvants est en relation directe avec l'accroissement de la réticulation tridimensionnelle.
Flory exprime toutes ces observations expérimentales entre 1941 et 1946, dans une théorie toujours reconnue malgré les raffinements apportés peu à peu par de nombreux théoriciens macromolécularistes.
Mais ce sont avant tout ses travaux sur les solutions de polymères qui lui ont valu une grande célébrité. Depuis les recherches de Bemigaud, qui après la guerre de 1870 avait étudié le filage du nitrate de cellulose en solution dans un mélange éther-alcool (1), jusqu'à la veille de la Seconde Guerre Mondiale, les propriétés des solutions de macromolécules étaient restées mystérieuses, et personne n'avait réussi à proposer une interprétation qui traduisît de façon plausible les faits expérimentaux. Ainsi on ignorait pour quelles raisons la tension de vapeur d'une solution benzénique de caoutchouc variait avec la concentration du soluté. Flory expliqua quc ce comportement résultait de la flexibilité des chaînes de macromolécules ou, si l'on préfère, de leur facilité à occuper un grand nombre de configurations différentes. Il définit une équation qui permit alors de calculer l'entropie du mélange solvant-polymère en caractérisant les interactions thermodynamiques dont ce mélange e,st le siège. Grâce à l'introduction d'un facteur unique que les molécularistes appellent le facteur X, Flory a donné la possibilité de fixer les règles de séparation des molécules en fonction de leur poids moléculaire et d'interpréter les propriétés des systèmes plastifiant-polymères. Sa théorie a cependant des limites, notamment dans le calcul de l'entropie des solutions macromoléculaires, car elle admet le cas idéal d'une répartition uniforme des segments de chaînes dans tout le volume du mélange. Or en solution diluée, si la concentration en segments est élevée au voisinage d'une macromolécule, elle est en revanche nulle dans l'espace intermoléculaire. Flory a tenté de remédier à cet état de choses, et sans être parfaits, ses correctifs donnent satisfaction aux praticiens qui travaillent darm ce domaine (2).
La détermination de la taille des chaînes macromoléculaires a été également l'une de ses grandes préoccupations. Dans un premier temps, il a montré l'importance de la température à laquelle la répulsion des chaînes, due à leur volume propre, compense l'attraction qu'elles subissent, malgré l'effet d'écran que joue le solvant, ou température d'équilibre (théta). Lorsque celle-ci est atteinte, la solution macromoléculaire se comporte comme une solution idéale, et suit par conséquent les lois simples qui régissent ce type de solutions. En revanche, si l'on dépasse cette valeur 8, les répulsions augmentent entre les chaînes, et l'effet de volume doit alors être pris en compte. Plusieurs publications importantes de Flory ont eu pour objet le calcul de cet effet dans diverses conditions, établissant par une méthode simple certaines des lois générales qui le régissent; celles-ci ont d'ailleurs été confirmées plus tard au moyen de calculateurs électroniques.
Ses travaux entraînent deux conséquences : une relation a d'abord été établie entre la viscosité des solutions et les dimensions moléculaires, ce qui a permis de déterminer ces dernières d'une façon très simple; ensuite, à la température théta, les dimensions des macromolécules sont les mêmes qu'à l'état solide non cristallin. Cette demière hypothèse, purement spéculative, n'a été confirmée qu'après les expériences effectuées par diffusion neutronique à l'Institut Van Laue-Langevin de Grenoble.
Poursuivant ses recherches, Flory a proposé une théorie thermodynamique des solutions de macromolécules qui ont la forme de bâtonnets rigides; elle trouve son application dans les travaux sur les cristaux liquides et sur les fibres synthétiques à grande résistance mécanique. Ayant d'autre part établi les lois régissant l'élasticité du caoutchouc, il s'est penché sur le difficile problème des conformations des polymères résultant de l'interaction atomique à l'intérieur d'une même chaîne.
En couronnant Flory, le jury de Stockholm a ainsi récompensé quatre années de recherches ardues et précises, constituant les bases théoriques de la science des macromolécules, qui est appelée à connafîe un développement considérable.
Paul John Flory est mort en 1985.
1. Le 12 mai 1884, Hilaire de Bernigaud, comte de Chardonnet, déposait à l'Académie des Sciences un pli cacheté sur "une matière textile artificielle ressemblant à la soie." Un brevet était pris en 1885. En 1889, la première usine de soie artificielle était ouverte à Besançon, et les échantillons de cette nouvelle matière présentés la même année à l'Exposition Universelle de Paris.
2. Ceux qui souhaitent en savoir plus sur ces théories se reporteront aux deux ouvrages suivants : Principle of Polymer Chemistry, 1953; et Statistical Mechanics of Chain Molecules, 1969.
