Les protéines, éléments clef du vivant

Prenez place dans la machine à remonter le temps, à la recherche des origines de la vie!

Notre histoire commence sur la terre primitive il y a plus de 4 milliards d’années, avant que celle-ci ne soit entièrement colonisée par la vie, du fond des océans aux sommets des montagnes. Malheureusement, les traces fossiles des premiers organismes vivants ne sont pas aussi faciles à lire que les squelettes fossilisés de dinosaures, et les origines de la vie restent un sujet pour le moins mystérieux. Pour en savoir plus, il va donc nous falloir remonter le temps depuis l’époque contemporaine, et analyser les organismes vivants actuels pour en déduire des caractéristiques communes qui seraient partagées par tous. L’ensemble des êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules et l’on pense généralement que l’organisme qui est à l’origine de tous les êtres vivants actuels (largement connu par son acronyme anglais, LUCA: Last Universal Common Ancestor) avait une organisation similaire, avec une cellule.

Dans une cellule, les ingrédients moléculaires se répartissent entre quatre grandes familles de composés à base de carbone (appelés également molécules organiques). Les membres de chacune de ces familles ont tous leur utilité propre pour les organismes vivants:

• Les sucres (connus aussi comme les glucides quand on parle de nutrition) sont une source d’énergie pour l’organisme.
• Les acides gras (ou lipides) permettent de former la membrane cellulaire. C’est donc grâce aux lipides qu’il y a un intérieur et un extérieur pour chaque organisme et chaque cellule !
• Les nucléotides, dits aussi acides nucléiques, sont les briques élémentaires de l’ADN (ainsi que de l’ARN) qui contient l’information génétique et va jouer le rôle de mode d’emploi de la cellule.
• Et enfin, les protéines sont composées d’acides aminés (appelés aussi résidus), et vont faire fonctionner tout ce petit monde, en suivant le plan fourni par l’ADN.

Si l’on cherche à remonter le temps avant LUCA, vers la transition du non-vivant vers le vivant, on rencontre une série de paradoxes. Tout d’abord comment toutes ces molécules sont-elles apparues?

Aujourd’hui ce sont les êtres vivants qui fabriquent les molécules biologiques, mais comment celles-ci ont-elles pu apparaître dans un monde sans vie (dit aussi abiotique)? Le biochimiste russe Alexandre Oparin a proposé que les molécules organiques pourraient être apparues spontanément sur la Terre primitive. Cette possibilité a ensuite été démontrée par les expériences de Urey et Miller dans lesquelles un milieu aqueux mimant ce que l’on appelle la soupe primitive (méthane, ammoniaque, eau et hydrogène) associé à une décharge électrique comme source d’énergie (reproduisant les éclairs) permet l’apparition spontanée d’une partie des molécules biologiques, notamment des acides aminés.
N.B: Certains présentent l’hypothèse d’une apparition extra-terrestre et d’une arrivée sur terre de biomolécules via des météorites. Cela ne modifie pas le raisonnement mais ne fait que reporter à plus loin la synthèse abiotique des biomolécules.

Mais il existe un autre paradoxe : les molécules présentées plus haut dépendent les unes des autres. Dans notre monde vivant actuel aucune d’entre elles ne pourrait fonctionner seule. On se retrouve donc avec un problème d’œuf et de poule ancestral : Quelle molécule biologique a bien pu apparaître la première ?

L’hypothèse privilégiée actuellement est celle du monde ARN dans laquelle l’ARN (le petit nom de l’acide ribonucléique, qui est donc un cousin du célèbre ADN, ou acide désoxyribonucléique) était capable d’assurer plusieurs fonctions biologiques, que ce soit le stockage de l’information, ou la catalyse de réactions chimiques. Dans la préhistoire des molécules du vivant, l’ARN aurait donc tenu le rôle du chasseur-cueilleur non spécialisé. Le passage vers LUCA s’est ensuite effectué avec l’apparition, d’une part de l’ADN, dédié au seul stockage de l’information, et d’autre part des protéines, qui permettent de réaliser des réactions chimiques variées et hautement spécialisées. Ce petit peuple moléculaire laborieux aurait alors donné un avantage compétitif aux cellules capables de les synthétiser.

Pourquoi se focaliser sur les protéines?

Et bien tout simplement parce qu’elles sont fascinantes dans leur diversité. Mais contrairement à l’ADN qui se retrouve souvent sous les projecteurs, les protéines sont encore trop méconnues du grand public !

Pourtant, si on y regarde bien, elles sont au cœur de la science contemporaine. Depuis le début du siècle, ce sont pas moins de 11 Prix Nobel (en Médecine ou en Chimie) qui ont été attribués à des travaux de recherche concernant des protéines (cf le Hall of Fame présent dans le menu du blog)

Ces molécules, qui présentent une variété quasi infinie, permettent aux organismes vivants de remplir des fonctions extrêmement diverses, et représentent souvent un avantage évolutif pour ceux-ci. Dans cet ouvrage, nous allons donc vous présenter le grand bestiaire de ces extraordinaires machines chimiques. Il est temps de faire connaissance avec les fabuleuses protéines !