La catalyse enzymatique, ce pouvoir que possèdent certaines protéines d’accélérer de façon extraordinaire et d’orienter avec une précision fascinante les réactions chimiques de la cellule, reste, encore aujourd’hui, l’un des grands mystères des systèmes vivants. Les réactions dont il est question vont de la simple hydrolyse de liaisons peptidiques à des processus poly-électroniques d’une très grande complexité, comme par exemple la réduction de l’oxygène en eau catalysée par la cytochrome oxydase, une enzyme clé de la respiration, ou encore l’oxydation de l’eau en oxygène que permet l’appareil photosynthétique des plantes. Il s’agit aussi des réactions de transferts d’électrons à longue distance (plusieurs dizaines d’angströms) qui jouent des rôles déterminants dans de nombreux processus cellulaires.
Quelle est l’origine de ce phénomène ? La réponse à cette question n’est pas simple et a alimenté, au cours des 50 dernières années, recherches et controverses. L’approche réductionniste du chimiste qui s’appuie sur des systèmes biomimétiques et bio-inspirés participe, de façon originale, à cette quête. Il apparaît cependant que l’une des clés de ce mystère réside dans l’utilisation répétée, par les organismes vivants, d’ions métalliques conférant aux protéines des propriétés uniques. La vie n’est donc pas seulement organique mais aussi « minérale », la chimie biologique pas seulement bio-organique mais aussi bio-inorganique. Ces métaux ont joué un rôle déterminant il y a près de 3,5 milliards d’années dans l’émergence de la vie et, un peu plus tard, dans l’apparition et l’utilisation de l’oxygène moléculaire.
Le but de ce cours était d’introduire un certain nombre de concepts concernant la catalyse enzymatique, les propriétés chimiques des ions métalliques et l’activation de petites molécules, dans le cas présent l’oxygène et l’eau, par des systèmes multiélectroniques naturels complexes.