Marc FONTECAVE Cours 2010 Chimie et Défis Energétiques du 21

Chaire « Chimie des Processus Biologiques »
Professeur : Marc FONTECAVE
Cours 2010
Chimie et Défis Energétiques du 21ème Siècle :
Du soleil aux nouvelles énergies
Il ne fait pas de doute que la source d’énergie renouvelable la plus abondante, très
largement supérieure aux contributions potentielles de l’énergie éolienne, géothermique ou
hydroélectrique par exemple, est l’énergie solaire (leçon introductive). La chimie, en
conduisant à l’élaboration de matériaux originaux et performants, va contribuer lourdement
aux nouvelles technologies solaires. Une façon d’exploiter cette énergie est de la transformer
en énergie électrique à travers la technologie photovoltaique. Ceci sera illustré par deux
séminaires de F. Odobel et D. Lincot. Une autre stratégie est de transformer l’énergie
lumineuse en énergie chimique, de la stocker sous la forme d’un carburant chimique, par
exemple l’hydrogène. Ce dernier constitue, on le sait, un carburant très intéressant, à la fois en
raison de la grande quantité d’énergie qu’il restitue lors de son oxydation (piles à
combustibles) et du fait que le seul sous-produit de cette oxydation est l’eau. Une grande
partie du cours portera la question de la production et l’utilisation de l’hydrogène et sur les
hydrogénases, des biocatalyseurs fascinants du point de vue de leur structure et de leur
réactivité. C. Léger notamment donnera un séminaire sur les propriétés électrochimiques de
ces enzymes et J. Fontecilla-Camps discutera plus particulièrement de cette classe d’enzymes
qui manipulent des gazs et de leur importance à l’origine de la vie.
La conversion de l’énergie solaire en carburant est en fait admirablement
réalisée par le monde vivant qui utilise en permanence le soleil pour transformer l’eau et le
dioxyde de carbone en molécules à haute valeur énergétique qu’on retrouve dans la biomasse.
Le domaine des biocarburants sera évoqué par G. Peltier. Certains organismes vivants ont
même la capacité de réaliser une simple photolyse de l’eau: ils utilisent l’énergie solaire pour
transformer l’eau en oxygène et en hydrogène, un véritable tour de force quand on sait que
l’eau n’absorbe pas les photons du soleil et que les processus mis en jeu dans cette photolyse
sont des processus multiélectroniques très complexes. Pour ce faire ces microorganismes ont
élaboré des systèmes enzymatiques incroyablement sophistiqués et efficaces pour collecter les
photons lumineux, traduire cette absorption de lumière en énergie chimique et pour catalyser
les réactions de transfert d’électrons. Ce qui est remarquable c’est que ces systèmes ont réussi

à n’utiliser que des métaux très abondants alors que les dispositifs d’électrolyseurs ou de piles
les plus efficaces mis au point par les chimistes et utilisés aujourd’hui nécessitent des métaux
nobles comme le Platine, très chers et peu abondants dans la croute terrestre. On oublie
souvent de dire qu’il n’y a pas de futur pour une économie à hydrogène si on ne résout pas ces
problèmes de catalyseurs. Par exemple, pour la réduction de l’eau en hydrogène ou pour la
réaction inverse, les hydrogénases utilisent du nickel ou du fer. Ces enzymes constituent donc
une source d’inspiration fascinante pour le chimiste qui rêve de « copier » le vivant et
d’inventer de nouveaux catalyseurs reproduisant certaines propriétés structurales et
fonctionnelles remarquables des sites actifs des enzymes. On parle de chimie bio-inspirée.
Elle sera illustrée par un séminaire de F. Gloaguen.
Enfin une leçon sera donnée sur la question de la valorisation du dioxyde de carbone
par les approches de la chimie moléculaire et la biocatalyse.
Programme
(cours à 10h, séminaire à 11h)
Salle : ?
26 Mars à 18h
Leçon inaugurale
Amphithéatre
8 Avril
Leçon
« L’âme des enzymes : le mystère de la biocatalyse»
Séminaire
Patrick Bertrand, Professeur à l’Université de la Méditerranée, Marseille
« La vie trépidante des électrons dans les enzymes d’oxydoréduction »

6 Mai
Leçon
« Les métaux : des origines aux biocatalyseurs d’aujourd’hui »
Séminaire
Jacques Reisse, Professeur à l’Université de Bruxelles (Belgique)
« D’où viennent les métaux du système solaire ? »
13 Mai
Leçon :
« Les ions métalliques: pèlerinages cellulaires»
Séminaire
Jean Louis Pierre, Professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble
« La nutrition ferrique des organismes vivants : du complexant moléculaire aux
nanostructures auto-assemblées »
20 mai
Leçon
« L’oxygène moléculaire : origines et paradoxes »
Séminaire
Alfred W. Rutherford, CEA Saclay
« Le photosystème II : l’enzyme de l’oxydation de l’eau »
27 Mai
Leçon
« Vers la photosynthèse artificielle : des catalyseurs bioinspirés »
Séminaire
Vincent Artero, CEA Grenoble
«Hydrogène et catalyse : des algues aux nanomatériaux »
3 Juin
Leçon
« La cytochrome oxydase : l’enzyme de la réduction de l’oxygène moléculaire»

Séminaire
James P. Collman, Professeur à l’Université de Stanford (USA)
« A functional model for the active site of cytochrome oxidase catalytically reduces
oxygen to water under physiological conditions »

Séminaire du 8 avril
La vie trépidante des électrons dans les enzymes d’oxydo-réduction
Patrick BERTRAND
Professeur à l’Université Aix-Marseille 1
De nombreuses réactions chimiques impliquent des échanges d’électrons, et ces échanges se
produisent habituellement lorsque les molécules réagissent lors d’une collision. Cependant, on a
découvert il y a plus de trente ans que des centres rédox distants de 10 à 20 Å pouvaient échanger
rapidement des électrons dans les enzymes d’oxydo-réduction et les systèmes bioénergétiques de tous
les êtres vivants. Ces transferts d’électrons à longue distance ont fait l’objet d’un grand nombre
d’études théoriques et expérimentales. On sait maintenant qu’ils jouent un rôle essentiel dans le
mécanisme catalytique de ces enzymes, et on connaît les facteurs qui déterminent leur vitesse. Des
mystères demeurent cependant. Dans les nombreuses structures d’enzymes d’oxydo-réduction qui ont
été déterminées ces dernières années, on distingue très bien des « chaînes de transfert d’électrons »
constituées de plusieurs centres rédox séparés par une distance de 10 à 20 Å. Or, l’ordre des potentiels
rédox des centres le long de ces chaînes n’est pas toujours favorable à des transferts rapides et quasi
unidirectionnels. On peut donc se demander si ceux-ci sont limitants dans le cycle catalytique et s’ils
jouent un rôle dans le biais catalytique de l’enzyme, c'est-à-dire sa capacité à mieux catalyser une
réaction que la réaction inverse.
Ces différents points seront abordés au cours du séminaire. Nous préciserons d’abord les facteurs qui
déterminent la valeur de la constante de vitesse de transfert d’électron, et nous verrons pourquoi ces
transferts ont lieu sur de grandes distances dans les enzymes d’oxydo-réduction. Nous présenterons
ensuite les méthodes qui ont été élaborées ces dernières années pour mesurer cette vitesse dans les
enzymes de type « respiratoire », et nous analyserons les données obtenues pour plusieurs enzymes
susceptibles d’applications dans le domaine des biotechnologies.
Séminaire du 6 mai
D’où viennent les métaux du système solaire ?
Jacques REISSE
Professeur à l’Université de Bruxelles
Les métaux jouent un rôle très important au sein du monde vivant. Il est donc intéressant de
s’interroger sur l’origine de ces métaux que les organismes autotrophes trouvent dans les couches
superficielles de l’écorce terrestre.
Le Terre est un corps différentiés et des métaux comme le fer sont concentrés essentiellement dans le
cœur de la planète. Néanmoins, il reste du fer et bien d’autres métaux dans l’écorce. Pourquoi ? La
réponse à cette question entraîne une autre question. D’où proviennent les métaux terrestres ou, plus
généralement, les métaux qui sont présents dans les planètes, satellites et astéroïdes qui constituent le
système solaire ? Ils devaient être déjà présents dans la protonébuleuse solaire au sein de laquelle se
sont formés tous ces corps. Pourquoi ? La réponse à cette question est connue mais elle entraîne une
autre question puis une autre encore jusqu’à une limite puisque, dans le cadre du modèle
cosmologique standard, les seuls éléments présents dans l’Univers primordial étaient des éléments
légers (essentiellement H et He). Notre Univers a donc nécessairement connu un état « pré-
métallique ».
L’exposé portera sur l’origine des métaux dans l’Univers mais aussi sur l’apport de métaux, de
matière organique et d’eau sur la Terre primitive, durant la phase dite post-accrétionnelle.