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Accrochez-vous, ça en vaut la peine!
La stéréochimie a acquis ses lettres de noblesse en 1848 grâce aux travaux de Louis Pasteur. Lors de l’étude approfondie des dépôts cristallins produits au fond de tonneaux lors de la fermentation du raisin, Pasteur constate qu’il est possible de cristalliser deux types d’acide tartrique, l’un étant l’image de l’autre dans un miroir, au même titre qu’une main gauche et une main droite sont chacune l’image miroir de l’autre.
Un tiers de siècle plus tôt, Jean-Baptiste Biot constatait que des cristaux de quartz font tourner le plan de polarisation de la lumière plus ou moins fortement dans une direction ou dans l’autre; cette observation est nommée le « pouvoir rotatoire » du cristal. S’il oriente le plan de polarisation de la lumière vers la gauche, le cristal est dit "lévogyre" (symbole L. En latin: qui tourne à gauche), tandis que le cristal est "dextrogyre" (symbole D) s’il oriente le plan de polarisation vers la droite.
En combinant la technique de mesure de Biot et ses propres observations, Pasteur démontre que certains cristaux d’acide tartrique sont lévogyres, tandis que les autres cristaux sont dextrogyres; ces deux substances moléculaires sont des « énantiomères » l’un de l’autre (en grec: parties opposées). En se référant à cette propriété, Pasteur parle de "dissymétrie moléculaire" entre les deux cristaux, et ce n’est qu’en 1894 que Lord Kelvin propose d’adopter le terme de "chiralité" (en grec: mains) pour toute substance présentant une dissymétrie moléculaire.
La découverte de Pasteur entraîne des conséquences phénoménales sur l’étude des molécules du monde vivant: il s’avère que les acides aminés naturels sont toujours des énantiomères L (lévogyres), tandis que les sucres naturels sont toujours des énantiomères D (dextrogyres). Les raisons énigmatiques de cet état de faits sont toujours débattues aujourd’hui et sont peut-être à trouver dans l’origine de la Vie sur Terre.
La notion de dissymétrie moléculaire ou de chiralité indique qu’une molécule ne présente pas de plan de symétrie ou de centre d’inversion, et que son énantiomère est la molécule "image-miroir" ; ces deux molécules, lévogyre L et dextrogyre D, orientent dès lors le plan de polarisation de la lumière dans des directions opposées.
Sur ces considérations de L et de D viennent s’ajouter des considérations de structure moléculaire, que notre lecteur caractérise par R et par S. Prenons l’exemple le plus simple d’un atome de carbone pouvant se lier à 4 atomes différents, qu’on appellera ici A1, A2, A3, et A4, du plus léger au plus lourd. La molécule obtenue prend la forme naturelle d’un tétraèdre (déformé puisque les atomes différents A1, A2, A3, A4, n’ont pas les mêmes masses atomiques et dimensions).
Pour les chimistes, il n’existe que deux manières, et aucune autre, de positionner ces 4 atomes autour du carbone (essayez avec des boules de pâte à modeler!): en plaçant l’atome de carbone au centre et l’atome le plus léger (A1) derrière le carbone, les atomes A2, A3, A4 (le plus lourd) peuvent être positionnés sur l’avant du carbone, soit en haut (A2), en bas à droite (A3) et en bas à gauche (A4), soit à l’inverse en haut (A2), en bas à gauche (A3) et en bas à droite (A4).
Lorsque la séquence A2-A3-A4 est lue dans le sens horaire (A3 en bas à droite, A4 en bas à gauche), la molécule est intitulée R (en latin: rectus, droit). Inversement, lorsque la séquence A2-A3-A4 est lue dans le sens anti-horaire (A3 en bas à gauche, A4 en bas à droite), la molécule est intitulée S (en latin: sinister, gauche). Cette nomenclature des molécules chirales R ou S a été introduite en 1966 par les chimistes Robert Cahn, Christopher Ingold, et Vladimir Prelog (règle de Cahn-Ingold-Prelog).
Il est exemplaire de noter que des molécules chirales qui dévient le plan de polarisation de la lumière vers la gauche (lévogyres) ne sont pas nécessairement S (sinister), et inversement des molécules dextrogyres ne sont pas nécessairement R (rectus). Il est impossible de prévoir si une molécule R déviera la lumière vers la gauche ou vers la droite, et inversement pour une molécule S. Encore un mystère de la nature qu’il reste à élucider!
Pourquoi tout ceci est-il important? Simplement parce que la Vie héberge des myriades de molécules chirales (pour s’en convaincre, la double hélice d’ADN possède une chiralité hélicoïdale), et que celles-ci ne réagissent pas de la même manière si elles sont D ou L (ou si elles sont R ou S) avec d’autres molécules chirales.
Pour prendre une analogie simple, un tire-bouchon acheté dans un magasin de farces et attrapes (dont le pas-de-vis tourne sur la gauche pour faire une bonne blague, contrairement au tire-bouchon conventionnel) ne permet pas d’extraire un bouchon d’une bouteille si on le fait tourner dans le sens des aiguilles d’une montre!
Le développement de nouveaux médicaments passe par la chiralité, car les protéines impliquées dans notre métabolisme sont chirales, et qu’une molécule bioactive ne sera apte à bloquer (ou activer) une protéine que si elle possède la bonne chiralité, à l’image d’une clé qui ne permet d’ouvrir que les serrures qui possèdent les bonnes caractéristiques.
De la même manière dans le domaine de l’olfaction, certaines molécules existent dans la nature sous leurs deux formes chirales. Par exemple, la carvone R (qui est lévogyre) nous est perçue comme sentant la menthe poivrée, tandis que la carvone S (qui est dextrogyre) sent le cumin; le limonène R (qui est dextrogyre) sent plutôt les agrumes, tandis que le limonène S (qui est lévogyre) rappelle plutôt les conifères. Ceci est évidemment dû au fait que nos récepteurs olfactifs (nos "serrures olfactives") sont chiraux et ne réagissent pas de manière similaire selon les molécules chirales (les "clés olfactives") qui se présentent.
Un exemple plus tragique de l’importance de la chiralité d’une molécule est illustré par le thalidomide, ce médicament administré aux femmes enceintes au milieu du XXème siècle: l’un des énantiomères chiraux, la forme R, a des propriétés anti-nauséeuses avérées, tandis que l’autre énantiomère (la forme S, image-miroir de la forme R) a de puissants effets tératogènes. La moindre trace de l’énantiomère délétère dans le médicament entraîne de terribles malformations chez les enfants nés de mères auxquelles le médicament a été administré.
On comprend dès lors pourquoi les chimistes s’évertuent à trouver des voies de synthèse de nouvelles molécules qui conduisent exclusivement à la production d’un seul énantiomère, celui qui est utile, en absence de l’autre, celui qui peut être néfaste ou présenter des effets secondaires.