La Chimie physique et ses applications/6
SIXIÈME LEÇON
Cette seconde leçon sur la chimie physique considérée dans ses rapports avec la physiologie sera consacrée à l’étude de l’action des enzymes. Ce nom a été donné à des composés très complexes qu’on trouve dans les organismes animaux et végétaux et qui ont la propriété de provoquer certaines réactions sans qu’elles-mêmes éprouvent une altération sensible ; il suffit souvent d’une quantité infinitésimale pour produire la transformation d’une quantité considérable de matière. Un des exemples les plus anciennement connus nous est fourni par l’émulsine, qui a la propriété de décomposer rapidement l’amygdaline, contenue avec elle dans les amandes, en glucose, essence d’amandes amères et acide cyanhydrique. Examinons un exemple plus récent. On sait que la levure de bière transforme les sucres, et en particulier l’espèce de sucre appelée glucose, en alcool et acide carbonique ; c’est le phénomène appelé fermentation alcoolique et qui est appliqué dans la préparation des liqueurs spiritueuses. Jusqu’à ces derniers temps, on a vu là dedans l’action vitale de la levure, organisme inférieur qui se développe dans la fermentation en absorbant, comme il semble, du sucre et rejetant de l’acide carbonique et de l’alcool. Mais Buchner a démontré il y a quelques années que l’action de la levure peut se faire sans l’intervention de la force vitale. On peut, en effet, après avoir tué la levure en la chauffant à une température déterminée, en extraire une substance dépourvue de vie comme de forme organisée et qui cependant produit la fermentation. Cette substance a été appelée zymase ; sa solution mélangée à du glucose amène bientôt un bouillonnement dû au dégagement d’acide carbonique accompagné de la formation d’alcool. Les enzymes actuellement connues sont déjà nombreuses, et il est remarquable que les fermentations analogues à celle dont nous venons de parler, qui sont si importantes en physiologie et ont été pour le plus grand nombre attribuées à l’action directe d’un organisme vivant, nous paraissent aujourd’hui causées par des enzymes, c’est-à-dire par des substances non organisées qui toutefois prennent naissance dans le corps de l’animal ou du végétal. Du moment que ces actions enzymiques se font sans l’intervention directe de la vie, elles rentrent dans la catégorie des actions catalytiques. Sans doute, lorsqu’on envisage la nature des enzymes et les phénomènes produits, elles paraissent très compliquées et s’éloignent ainsi de la mousse de platine, par exemple, qui forme de l’eau aux dépens du gaz tonnant. Cependant la chimie physique peut ici encore nous fournir des indications utiles, car certaines de ses déductions sont, pour leurs applications, indépendantes du phénomène considéré et leur portée n’est pas affaiblie par la complication de ce phénomène. Il est donc superflu d’expliquer à ce point de vue la composition et le caractère chimique de ces enzymes ; elles paraissent être très voisines des albuminoïdes, et l’étude de leur structure intime nous permettra sans doute un jour de comprendre leur remarquable action spécifique, c’est-à-dire pourquoi telle enzyme agit sur le glucose, telle autre sur l’amygdaline. Mais nous nous placerons pour le moment à un autre point de vue, et nous considérerons les enzymes comme des substances qui provoquent ou accélèrent une réaction chimique sans qu’elles éprouvent finalement une modification permanente. Il est possible, il est vrai, et c’est peut-être le cas le plus fréquent, que l’enzyme s’unisse à la substance pour former un composé qui se détruit en régénérant l’enzyme, mais ces particularités sont pour nous de peu d’importance, et du moment que l’enzyme reste en totalité, nous pouvons appliquer certains principes que nous allons d’abord exposer.
Ces principes se rapportent à l’équilibre chimique, et il en a déjà été question. Certaines réactions chimiques, ce sont surtout les plus connues, telles que la formation de l’eau par la combustion du gaz tonnant, sont complètes, c’est-à-dire se continuent jusqu’à ce que la transformation soit totale, dans l’exemple cité, que le gaz tonnant ait totalement disparu. Mais il s’en faut que ce soit le cas général, bien au contraire : considérons l’action d’un acide sur un alcool, de l’acide acétique sur l’alcool éthylique ; cette action, lente à la température ordinaire, est plus rapide lorsqu’on chauffe le mélange et fournit de l’acétate d’éthyle et de l’eau ; mais ce qui est essentiel c’est que, comme l’ont établi Berthelot et Péan de Saint-Gilles, la transformation exprimée par l’équation
ne va pas jusqu’au bout mais s’arrête lorsque les deux tiers environ du mélange d’acide et d’alcool sont transformés. Prenant 60 grammes d’acide acétique et 40 grammes d’alcool on n’obtient pas la quantité théorique, 88 grammes d’acétate d’éthyle, mais seulement 59 grammes. La cause en est que l’eau agit sur l’acétate d’éthyle dans le sens opposé et l’on arrive encore à la limite indiquée un partant du mélange de 88 grammes d’acétate d’éthyle avec 88 grammes d’eau. Le repos final apparent résulte ainsi de deux réactions inverses qui se font avec la même vitesse, ce qu’exprime le symbole
Il sera peut-être bon d’employer encore une image. Représentons (fig. 4)
la variation de composition par une longueur portée de gauche à droite, de
façon que le point A indique le mélange d’acide et d’alcool, et le point B le
Fig. 4
mélange d’éther et d’eau ; le point C
situé aux deux tiers de la distance AB
exprime la composition du mélange à
l’état d’équilibre. La transformation
chimique peut être figurée par une
bille qui roule sur une courbe DEF et
s’arrête au point le plus bas ; le déplacement
de D en E correspond à la
formation de l’éther et le déplacement
de F en E au phénomène inverse, à la
saponification. Mais, pour que l’image
serre le phénomène de plus près, nous devrons supposer que la bille est
dépourvue d’inertie, qu’elle n’arrive pas en E avec sa vitesse maximum
pour dépasser ensuite cette position, mais qu’elle se meut de plus en plus
lentement et arrive avec une vitesse nulle à sa position d’équilibre.
Ce diagramme convient encore pour représenter les réactions qui paraissent totales, car on a reconnu peu-à-peu que, même dans ce cas, il y a réellement une limite ; seulement, comme l’indique la courbe GH, elle est rejetée assez loin d’un côté pour que les moyens les plus délicats soient nécessaires pour mettre en évidence la petite quantité restante de l’un des deux systèmes. Les idées à ce sujet se sont complètement modifiées : autrefois les réactions d’équilibre paraissaient être l’exception ; aujourd’hui on a bien des raisons de croire, au moins dans le cas de mélanges homogènes de systèmes pouvant se transformer l’un en l’autre, comme les solutions, que l’équilibre est le fait réel et que la transformation n’est totale qu’en apparence.
Maintenant nous pouvons faire un pas de plus. Il est possible de prévoir quelles sont les réactions qui se continueront assez loin pour que l’existence d’une limite, à la température ordinaire, échappe à l’observateur et ne puisse se manifester qu’à une température plus élevée, en raison de son déplacement vers le milieu ; ce sont les réactions qui sont accompagnées d’un grand dégagement de chaleur et nous retrouvons ici, sous une forme un peu modifiée, le « Principe du travail maximum » dont nous avons parlé précédemment. À cette catégorie appartiennent les réactions bien connues qui se produisent avec incandescence ou explosion.
Il en est autrement quand le dégagement de chaleur est faible, et sous ce rapport on connaît un grand nombre de cas très concluants dans lesquels le dégagement de chaleur est rigoureusement nul, quelle que soit la température. Ces réactions sont moins frappantes que les précédentes et un peu à part ; telles sont celles dans lesquelles un corps optiquement actif, c’est-à-dire qui dévie le plan de polarisation de la lumière, à droite, par exemple, comme l’acide tartrique ordinaire, se transforme en un autre de même composition, dont la molécule serait en quelque sorte l’image dans un miroir de la molécule du premier et qui produit sur la lumière polarisée une déviation égale et contraire à la première ; tel est l’acide tartrique gauche par rapport à l’acide tartrique ordinaire. Pour des cas semblables le dégagement de chaleur dans la transformation est rigoureusement nul, comme peut le faire prévoir l’identité des dimensions dans les deux molécules. Alors l’état d’équilibre est donné par le point qui est au milieu de la ligne figurative de la transformation, c’est-à-dire qu’il correspond au mélange inactif des deux acides en quantités égales. C’est ce que représente la courbe symétrique IK avec la bille au point le plus bas L.
Revenons maintenant à l’action des enzymes et remarquons ce fait, que les réactions qu’elles produisent ne sont toujours et partout accompagnées que d’un faible dégagement de chaleur : par exemple, la saponification qu’éprouve le beurre dans son rancissement est une réaction dont l’effet thermique est presque nul. De là résulte nécessairement que des actions semblables conduisent à des états d’équilibre observables ; on pourrait seulement se demander si, précisément parce qu’il s’agit d’enzymes, les transformations ne seraient pas totales. Ici encore la figure 4 va nous venir en aide. Un tel déplacement de l’équilibre correspond à un mouvement de la bille à partir du point le plus bas et, par conséquent, à une production de travail, ce qui est impossible puisque l’enzyme agit à la façon d’un catalyseur et se retrouve inaltérée ; quand même elle éprouverait une modification, un affaiblissement, cela ne changerait que peu de chose, car cette modification ne correspondrait qu’à un travail insignifiant et, par suite, à un déplacement insensible de l’équilibre.
Ceci nous conduit forcément à une conclusion surprenante au sujet de l’action des enzymes. Si cette action ne peut déplacer la position d’équilibre et que cet équilibre diffère sensiblement de l’état final, il est nécessaire que, là où une réaction est provoquée ou accélérée, une réaction inverse soit influencée de la même manière. Nous avons déjà quelques faits d’accord avec cette conclusion. Par exemple, Lemoine a trouvé que la formation d’acide iodhydrique au moyen de l’iode et de l’hydrogène est accélérée par la présence de la mousse de platine, sans que celle-ci soit altérée ; de plus, la limite de transformation, qui apparaît bien avant que la combinaison soit complète, n’est pas influencée par le platine ; enfin l’accélération de la décomposition de l’acide iodhydrique que doit, d’après ce qui précède, produire la présence du platine, a été vérifiée par l’expérience. Tout récemment, Baker a observé que le chlorure d’ammonium parfaitement sec se volatilise sans décomposition et que l’acide chlorhydrique ne se combine pas à l’ammoniaque lorsque ces gaz sont absolument exempts d’humidité. Une trace d’humidité suffit pour provoquer immédiatement et à froid l’union de l’ammoniaque et de l’acide chlorhydrique et pour produire à une température plus élevée la décomposition du chlorure d’ammonium.
Sans doute les choses se passent moins simplement avec les enzymes, parce que dans les composés organiques complexes auxquels on a affaire, tant de réactions diverses sont possibles que, au lieu de la réaction inverse, c’est une autre qui peut se produire en même temps que la réaction directe. Sans cela on pourrait affirmer d’une façon générale que les enzymes sont capables de reformer un corps au moyen des corps plus simples en lesquels elles le décomposent, et l’on aurait ainsi un moyen simple de faire la synthèse de substances très importantes au point de vue physiologique ; par exemple, les albuminoïdes se scindent en corps plus simples sous l’action de certains ferments, tels que la trypsine ; on pourrait donc espérer de les reconstituer au moyen de leurs produits de décomposition et à l’aide de la trypsine.
Revenons maintenant aux faits constatés. C’est Hill qui paraît avoir obtenu, dans ses recherches sur la zymohydrolyse réversible[1], le premier exemple qui vérifie notre théorie : le maltose, qui contient dans sa molécule douze atomes de carbone, est décomposé en deux molécules de glucose par une enzyme contenue dans la levure, selon l’équation :
réciproquement, il se forme par l’action de la même enzyme sur le glucose. Il est vrai qu’on a reconnu, depuis, que le sucre ainsi formé n’est pas le maltose, mais un isomère[2], l’isomaltose ; mais ceci importe peu car l’action synthétique de l’enzyme n’en est pas moins réelle. Plus récemment, Emmerling[3] a observé un phénomène analogue : on sait que l’amygdaline est décomposée par l’émulsine en glucose, essence d’amandes amères et acide cyanhydrique, selon l’équation :
or elle peut être formée synthétiquement par action de la maltase, de la levure, déjà employée par Hill, sur un mélange de glucose et du glucoside, du nitrite amygdalique :
Bien qu’on en soit encore aux premiers pas dans cette voie, il est manifeste qu’on a là un riche domaine à exploiter, dans lequel la chimie organique synthétique pourra un jour récolter une abondante moisson. Ce qui, en cela, est important, ce n’est pas seulement la possibilité de créer de ces substances qui jouent un si grand rôle dans l’organisme vivant, mais encore de se rapprocher beaucoup plus que les synthèses ordinaires de la voie suivie par la nature et peut-être même de suivre une voie identique.