La chimie de l'odorat et du goût

Au printemps 1991, dans les étages supérieurs du Hammer Health Sciences Center de l'université Columbia à New York, deux chercheurs fixaient un gel des yeux. Linda Buck et Richard Axel avaient mené une variation astucieuse de la réaction de polymérisation en chaîne, en utilisant des amorces dégénérées (de courtes sondes d'ADN délibérément conçues avec un peu de jeu dans leur séquence afin de pouvoir s'accrocher à de nombreux gènes apparentés à la fois) sur de l'ADN complémentaire issu du tissu nasal de rat. Ce que ce gel a révélé, c'était le premier aperçu d'une vaste famille de gènes jusqu'alors inconnue, celle des récepteurs olfactifs, ces machines protéiques qui permettent à un animal de sentir. À cet instant, la chimie de l'odorat a cessé d'être un vague mystère pour devenir un problème abordable de biologie moléculaire.

C'est ce basculement qui fait l'objet de cet article. Nous avons tendance à traiter l'odorat, le goût, la vision et la brûlure d'un piment comme des expériences distinctes et un peu magiques, mais sous chacune d'elles se cache un fragment de chimie bien comprise : une molécule, ou une particule de lumière, qui rencontre une protéine et la fait changer de forme. La question à laquelle répond cet article est de savoir comment un monde fait de molécules se traduit dans le langage électrique du cerveau, et pourquoi la réponse se révèle être à peu près la même histoire racontée de quatre façons différentes.

Ce que fait réellement un récepteur sensoriel

Chacun de vos sens dépend d'un type particulier de protéine appelé récepteur sensoriel. Un récepteur sensoriel est une protéine qui convertit un stimulus physique ou chimique en un signal électrique à l'intérieur d'un neurone. Le stimulus peut être une molécule d'arôme de café qui remonte dans votre nez, un ion sodium qui se pose sur votre langue, ou une seule particule de lumière qui frappe le fond de votre œil. Quelle que soit l'entrée, le travail du récepteur est le même, à savoir produire une variation de tension à travers la membrane d'une cellule nerveuse, car la tension est la seule monnaie d'échange du système nerveux.

Les récepteurs qui lisent la chimie (ceux de l'odorat, du goût et de la chaleur de la capsaïcine) fonctionnent par liaison. Une molécule, appelée ligand, vient se loger dans une poche du récepteur et y reste accrochée un instant grâce à des forces intermoléculaires ordinaires, les mêmes liaisons hydrogène et attractions de van der Waals qui régissent toute rencontre moléculaire. La vision fonctionne un peu différemment, en lisant la lumière par photochimie plutôt que par liaison. Mais dans les deux cas, l'étape suivante est identique dans son principe. L'événement de liaison, ou l'absorption d'un photon, fait changer de forme tridimensionnelle à la protéine, un processus appelé changement de conformation. Ce changement de forme est l'interrupteur. Dans certains récepteurs, il tire directement sur un canal ionique pour l'ouvrir, laissant des particules chargées affluer à travers la membrane. Dans d'autres, il déclenche un relais appelé cascade de protéine G, une chaîne de messagers moléculaires qui amplifie le minuscule signal initial jusqu'à en faire quelque chose que la cellule ne peut ignorer. Dans tous les cas, un événement chimique est devenu un événement électrique.

L'olfaction et le code combinatoire

La découverte que Buck et Axel ont faite en 1991, qui leur a valu le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 2004, était saisissante par son ampleur. Ils ont trouvé non pas un ou deux récepteurs de l'odorat, mais toute une famille. Chez l'humain, environ 400 de ces gènes sont fonctionnels, ce qui fait des récepteurs olfactifs l'une des plus grandes familles de gènes du génome. Chacun code un type particulier de protéine, un récepteur à sept domaines transmembranaires couplé à une protéine G, c'est-à-dire une chaîne unique de protéine qui traverse sept fois la membrane cellulaire dans un sens puis dans l'autre et qui signale par l'intermédiaire d'une protéine G située à l'intérieur.

Voici pourquoi quelques centaines de récepteurs peuvent en faire autant. Une molécule odorante donnée ne possède pas son propre récepteur privé. Au lieu de cela, chaque odorant active une certaine combinaison de récepteurs, en allumant une poignée tandis qu'il laisse les autres silencieux. Une odeur peut illuminer les récepteurs numéro 12, 88 et 301 ; une autre peut illuminer les récepteurs 12, 88 et 412. Le cerveau ne lit aucun récepteur isolé comme signifiant « rose » ou « essence ». Il lit le motif global, l'accord particulier joué sur l'ensemble du réseau. C'est ce que l'on appelle un code combinatoire, et c'est précisément la combinatoire qui le rend si puissant, car le nombre de combinaisons possibles croît de façon explosive avec le nombre de récepteurs. Selon les estimations actuelles, le nez humain peut distinguer de l'ordre de mille milliards d'odeurs distinctes, le tout à partir d'environ 400 types de récepteurs. C'est le même tour de force qui permet à quelques dizaines de lettres d'épeler tous les mots d'une langue.

Quatre chimies dessinées sur une seule page

L'un des plaisirs discrets de ce coin de la chimie tient à ce que quatre sens différents peuvent être présentés côte à côte sur un seul schéma, parce qu'ils sont des variations d'un même thème. Dans l'épithélium nasal, la muqueuse qui tapisse le haut de l'intérieur du nez, se trouvent les récepteurs olfactifs. Sur la langue se trouvent les récepteurs du goût, répartis en deux familles aux noms techniques T1R et T2R. Dans la rétine, au fond de l'œil, se trouvent les pigments visuels, la rhodopsine dans les cellules en bâtonnet et les opsines des cônes qui gèrent la couleur. Et réparti dans de nombreux tissus, dont la bouche, se trouve un canal appelé TRPV1, qui répond à la capsaïcine et à la chaleur.

Quatre emplacements, quatre classes de protéines, mais une seule logique sous-jacente. Dans chaque cas, un stimulus arrive, une protéine change de forme, et un courant circule. Garder ces quatre éléments en vue est un correctif utile à la manière dont nous apprenons habituellement les sens, un par un et isolément, comme si sentir et voir n'avaient rien à voir l'un avec l'autre. Chimiquement, ils ont énormément à voir l'un avec l'autre.

Le goût : cinq modalités de base, plusieurs mécanismes

Le goût est plus modeste que l'odorat. Là où l'olfaction jongle avec des centaines de récepteurs, le goût ne reconnaît que cinq modalités de base, à savoir le sucré, le salé, l'acide, l'amer et l'umami. La dernière, l'umami, est la saveur savoureuse et bouillonnante du glutamate, et c'est l'ajout le plus récent à la liste. Le chimiste japonais Kikunae Ikeda l'a isolée et nommée en 1908, en identifiant le composé responsable dans le bouillon d'algues qui parfume une grande part de la cuisine japonaise. Umami est simplement le mot japonais pour désigner une agréable saveur savoureuse, et il a fallu près d'un siècle pour qu'elle soit pleinement acceptée en Occident.

Ce qui fait du goût un bel exemple pédagogique, c'est que ses cinq modalités n'utilisent pas toutes la même machinerie. Le sucré et l'umami sont détectés par des récepteurs de la famille T1R, qui sont des récepteurs couplés à une protéine G tout comme les récepteurs de l'odorat, sensibles à des molécules entières de sucre ou de glutamate. L'amer est pris en charge par la famille T2R, un ensemble d'environ vingt-cinq récepteurs couplés à une protéine G, un nombre qui a un sens évolutif, puisque l'amertume signale souvent un composé végétal toxique et qu'il est payant de détecter de nombreuses toxines différentes. L'acide et le salé, en revanche, contournent entièrement la machinerie des protéines G et fonctionnent directement par des canaux ioniques. L'acidité est la détection du caractère acide, et elle est perçue par des canaux sensibles aux ions hydrogène, ces ions-là mêmes qui définissent un acide. Le salé est perçu par des canaux sensibles au sodium d'un type appelé ENaC, qui laissent simplement entrer les ions sodium lorsqu'ils sont abondants. Deux familles de RCPG et quelques canaux ioniques rendent compte, à eux tous, de tout ce que votre langue peut goûter.

La vision : une molécule attrape un photon

La vision a sa place dans une discussion sur les sens chimiques même si son stimulus est la lumière, parce que le premier événement de la vision est une véritable réaction chimique, l'une des plus rapides de la biologie. À l'intérieur de chaque cellule en bâtonnet et de chaque cône se trouve une petite molécule appelée rétinal, dérivée de la vitamine A, liée de façon covalente à une grande protéine appelée opsine. Au repos, le rétinal est replié selon une forme appelée configuration 11-cis. Lorsqu'un photon le frappe, la molécule absorbe cette énergie et se redresse, basculant dans la configuration tout-trans. C'est une isomérisation, un changement de la géométrie d'une molécule sans aucun changement de ses atomes, et elle se produit à une vitesse stupéfiante, en environ 200 femtosecondes, sachant qu'une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde.

Ce minuscule sursaut d'une molécule est le déclencheur tout entier de la vue. Le changement de forme du rétinal force un changement de l'opsine qui l'entoure, ce qui déclenche une cascade de protéine G qui, dans ce cas, hyperpolarise la cellule, poussant sa tension dans le sens négatif et signalant ainsi que la lumière est arrivée. La vision des couleurs vient du fait qu'il existe trois versions de l'opsine des cônes, chacune réglée pour absorber le plus fortement à une longueur d'onde différente, avec des pics à environ 420, 530 et 560 nanomètres, correspondant grossièrement à la lumière bleue, verte et rouge. Le biochimiste George Wald a élucidé cette chimie au fil d'une longue carrière allant de 1933, année où il a découvert la vitamine A dans la rétine, jusqu'aux années 1960, et il a reçu le prix Nobel en 1967 pour cela.

Quand le « brûlant » signifie la chaleur : la capsaïcine et le TRPV1

Passons maintenant au sens qui n'en est pas vraiment un. Lorsque vous mordez dans un piment, la brûlure que vous ressentez n'est pas du tout une saveur. Il n'existe pas de récepteur du « piquant » parmi les cinq modalités de la langue. La molécule responsable, la capsaïcine, active à la place un canal appelé TRPV1, un canal cationique non sélectif (qui laisse passer divers ions positifs plutôt que d'en sélectionner un seul) que le physiologiste David Julius a cloné en 1997, des travaux récompensés par le prix Nobel en 2021.

Le détail révélateur, c'est ce qui ouvre aussi ce même canal. Le TRPV1 est avant tout un détecteur de chaleur. Il s'ouvre lorsque la température dépasse environ 43 degrés Celsius, juste autour du seuil où les choses véritablement chaudes commencent à devenir douloureuses. La capsaïcine agit en s'accrochant à ce canal et en le dupant pour qu'il s'ouvre à la température corporelle ordinaire, de sorte que votre cerveau reçoit exactement le signal qu'il recevrait d'une chaleur et d'une douleur réelles. C'est pourquoi un piment et une gorgée de café trop chaud peuvent sembler étrangement semblables, et pourquoi nous décrivons la sensation comme « brûlante » dans les deux sens du terme. Le langage avait raison depuis le début, car chimiquement il y a un seul canal qui accomplit les deux tâches.

Un siècle à démêler, et un mythe tenace

Le tableau moléculaire complet s'est assemblé lentement, au fil de ce que l'on pourrait appeler un long vingtième siècle de chimie sensorielle. Ikeda a nommé l'umami en 1908. Wald a découvert la vitamine A dans la rétine en 1933 et a reconstitué la photochimie de la vision au cours des décennies suivantes. Buck et Axel ont cloné la famille des récepteurs olfactifs en 1991. Julius a cloné le TRPV1 en 1997. Et les familles de récepteurs gustatifs T1R et T2R ont été identifiées entre 2000 et 2002, achevant le recensement moléculaire des sens chimiques il y a seulement quelques décennies.

Il vaut la peine de conclure par une rectification, car l'un des « faits » les plus enseignés à propos du goût est tout simplement faux. Vous avez peut-être vu la carte de la langue, ce schéma prétendant que le sucré est détecté au bout de la langue, le salé le long des bords avant, l'acide plus en arrière et l'amer tout au fond. C'est un mythe pédagogique. Il descend d'une étude allemande de 1901 dont les données étaient modestes et faciles à mal interpréter, et il s'est répandu dans les manuels de langue anglaise en grande partie à cause d'une mauvaise traduction de 1942 par le psychologue Edwin Boring, qui a transformé de timides différences régionales en zones bien tranchées. En réalité, les cinq saveurs de base peuvent toutes être détectées sur l'ensemble de la langue. La version honnête est moins nette qu'une carte en couleurs, mais elle est exacte, et l'accepter est une petite leçon sur la manière dont un schéma propre peut survivre aux preuves qui auraient dû le faire disparaître.

Points clés à retenir

Les sens chimiques fonctionnent tous selon une seule logique, dans laquelle un stimulus rencontre une protéine, la protéine change de forme, et un signal électrique en résulte, l'odorat, le sucré, l'umami et l'amer étant acheminés par des récepteurs couplés à une protéine G tandis que l'acide, le salé et la chaleur de la capsaïcine passent par des canaux ioniques. L'odorat est la pièce maîtresse, utilisant environ 400 récepteurs olfactifs découverts par Buck et Axel en 1991 (Nobel 2004) pour distinguer de l'ordre de mille milliards d'odeurs grâce à un code combinatoire plutôt qu'à un récepteur par odeur. Le goût reconnaît cinq modalités de base, le sucré, le salé, l'acide, l'amer et l'umami, ce dernier nommé par Ikeda en 1908, répartis entre les familles de récepteurs T1R et la vingtaine de T2R et une paire de canaux ioniques. La vision s'active grâce à l'isomérisation du rétinal de la forme 11-cis à la forme tout-trans en environ 200 femtosecondes, élucidée par Wald (Nobel 1967), avec trois opsines de cônes culminant près de 420, 530 et 560 nanomètres. Le piquant du piment n'est pas une saveur mais le canal de la chaleur et de la douleur TRPV1 (cloné par Julius en 1997, Nobel 2021) que l'on dupe pour qu'il s'ouvre en dessous de son seuil normal de 43 degrés. Et la fameuse carte de la langue est un mythe né d'une mauvaise traduction de 1942, puisque chaque saveur de base est détectable partout sur la langue.