Chapitre 2 : Les métaux en milieux biologiques

1 La vie, est-elle organique ?

La Biologie et la Vie : organiques.

  Chimie Organique, c’est-à-dire la Chimie du Carbone = Chimie du Vivant

. Chimie Inorganique = minérale.

Carbone = base des biomolécules, composés organiques fondamentaux de la vie

Outre C, présence de : H (Z = 1), N (Z = 7), O (Z = 8), S (Z = 16) ou P (Z = 15).

  Vie : totalement organique ?

Présence de métaux : Fe (hémoglobine, ...), Ca (os, dents, ...), ...

  La vie est essentiellement organique, mais elle est aussi inorganique

Elle a évolué de façon à incorporer toutes les facettes de la chimie inorganique susceptibles de lui être profitables.

2 Les éléments chimiques dans le monde du vivant

Classification périodique : 115 éléments chimiques, de Z = 1 (H) à Z = 118 (Uuo), dont 90 éléments, métalliques ou non, naturels éventuelle importance vitale pour un ou plusieurs organismes vivants.

Seulement 13 éléments métalliques semblent essentiels aux organismes vivants.

4 présents en grandes quantités dans l’organisme humain : « bulk metals »

2 métaux alcalins : Na (Z = 11) et K (Z = 19)

2 éléments alcalino-terreux : Mg (Z = 12) et Ca (Z = 20)

9 métaux traces issus du bloc « d » de la classification périodique : V (Z = 23), Cr (Z = 24),

Mn (Z = 25), Fe (Z = 26), Co (Z = 27), Ni (Z = 28), Cu (Z = 29), Zn (Z = 30), Mo (Z = 42).

D’autres éléments ont une importance biologique prouvée ou supposée.

 Toutes les espèces vivantes ont besoin des 14 éléments : C (Z = 6), H (Z = 1), N (Z = 7), O (Z = 8), P (Z = 15), S (Z = 16), et les métaux : Mg (Z = 12), K (Z = 19), Ca (Z = 20), Mn (Z = 25), Fe (Z = 26), Cu (Z = 29), Zn (Z = 30) et Mo (Z = 42)

Indispensables à l’être humain :

Cl (Z = 17), Se (Z = 34), et I (Z = 53) et les métaux : Na (Z = 11), Cr (Z = 24), et Co (Z = 27) pourraient être indispensables à l’homme : F (Z = 9), Si (Z = 14), V (Z = 23), As (Z = 33) et Sn (Z = 50).

D’autres organismes auraient besoin de : Ba (Z = 56), Pb (Z = 82), W (Z = 74).

3 Les métaux en systèmes biologiques

a) Métaux « bulks » et métaux « traces »

12 éléments métalliques sont, ou seraient, indispensables à l’être humain.

Pour une personne de 75 Kg :

 

 

 

α – Les métaux « bulks »

Environ 1 à 2 % de la masse d’une personne de 75 Kg :

100 g de Sodium (Na⁺)

25 g de Magnésium (Mg²⁺)

170 g de Potassium (K⁺)

1100 g de Calcium (Ca²⁺).

L’élément métallique le plus répandu dans le corps humain : le Calcium.

β – Les métaux traces

Moins de 0,01 % de la masse de cette même personne de 75 Kg, dont :

Fer (4 à 5 g/75 Kg)

Cuivre (80 à 120 mg/75 Kg)

Cobalt (1,2 mg/75 Kg),

...

γ – Comment l’importance biologique de ces métaux a-t-elle été constatée ?

Par le plus grand des hasards puis travaux basés sur des expériences raisonnées d’induction de déficiences en métaux traces.

b) – Métaux traces

9 métaux traces, 2 sous-groupes :

métaux traces

métaux ultra-traces.

α – Le sous-groupe des métaux traces

3 éléments universellement essentiels : Fer, Cuivre, Zinc.

  Le Fer et le Cuivre : influence réside dans leur possibilité à changer d’état

d’oxydation pour participer à des réactions biologiques de transferts électroniques.

  Le Zinc au degré d’oxydation + II, a la configuration électronique de valence « 3d10

», donc ne peut pas intervenir lors de processus oxydo-réducteurs, mais comme

acide extrêmement fort, en captant un doublet électronique libre.

β – Le sous-groupe des métaux ultra-traces

6 éléments : Manganèse, Nickel, Molybdène, Vanadium, Cobalt, Chrome :

  Manganèse : Superoxyde dismutase.

  Nickel : Uréase.

  Molybdène et Vanadium : Nitrogénases.

Vanadium : Haloperoxydases.

  Cobalt : vitamine B12, et sa coenzyme.

  Chrome : métabolisme du glucose chez certains grands mammifères.

4 Le rôle des ions métalliques en systèmes biologiques

Métallobiomolécules réparties en deux grandes familles : Protéines et non-Protéines.

a) Rôle structural du centre métallique

α – Nature moléculaire du biosite

Les trois éléments susceptibles de jouer le rôle de ligand : Azote, Oxygène, Soufre : points de

coordination de ces macromolécules organiques avec leur centre métallique.

Métaux « bulks » (Na, Mg, K, Ca) : prédilection pour l’Oxygène.

Métaux alcalins (Na et K) : complexes peu stables, aisément déplacés.

Métaux alcalino-terreux (Mg et Ca) : complexes moins « mobiles », plus stables.

Métaux traces et ultra-traces : des complexes forts, plus stables.

Manganèse : complexes stables préférentiellement avec l’Oxygène.

Fer : Azote et Oxygène.

Zinc : Soufre.

β - Géométrie du biosite

Principales géométries :

  octaèdre :

Vitamine B12, hémoglobine, Transferrines

  pyramide à base carrée :

hémoglobine (fragments béta de l’hémoglobine)

  tétraèdre :

Anhydrase Carbonique II

Pourquoi s’intéresser à la structure d’un métallobiosite ? La fonction d’un système biologique

dépend de sa structure, de sa géométrie.

b) Rôle fonctionnel du centre métallique

Hémoglobine : transport de l’oxygène à travers l’organisme grâce au Fer.

Que se passerait-il si les phénomènes suivants se produisaient ?

  Le Fer contenu dans le biosite n’est plus Fe^(+II) mais Fe^(+III)

  Le noyau ferreux (Fe^(+II)) est entouré de 6 ligands et non plus de 5

  Si un groupement hème ne contient pas de noyau ferreux

D’où l’importance fonctionnelle de ce centre métallique.