a) Le Zinc en milieux biologiques

Zinc : requis pour l’activité de plus de 300 enzymes.

1^ère enzyme Zn dépendante découverte en 1940 : l’Anhydrase carbonique II.

Métal essentiel pour la croissance, le développement et la différenciation de tout organisme vivant.

Métal trace le plus abondant dans l’organisme humain après le Fer.

Ion Zn²⁺ : une orbitale « d » pleine (3d¹⁰)

  → Zinc (+ II) très stable en milieu biologique oxydo-réducteur.

 → ne peut pas participer à un processus oxydo-réducteur.

Mais fonctionne comme un acide de Lewis en acceptant une paire électronique non liante.

- Zn²⁺ : énergie de coordination nulle, quelle que soit la géométrie du complexe

  → aucune géométrie n’est plus stable qu’une autre.

  → modification de la réactivité du son centre métallique en modifiant sa géométrie de coordination.

- Echange rapide de ligand du Zinc (+ II)

  → excellent partenaire catalytique permettant un « turn-over » efficace.

- Ligands préférés de Zn : S (Cystéine), N (Histidine) ou O (Aspartate, Glutamate).

Egalement : O (Tyrosine) et C=O (Asparagine, Glutamine).

Le centre métallique Zinc a deux rôles en milieu biologique :

ü  rôle fonctionnel : participation à la réaction

ü  rôle structural : participation au maintien et à la stabilisation de la structure tridimensionnelle de la protéine.

b) Anhydrase carbonique II (EC 4.2.1.1)

α – Structure de la biomolécule

Catalyse l’hydratation réversible du dioxyde de carbone :

CO₂ + H₂O → H⁺ + HCO₃^-

Se retrouve dans la plupart des organismes du règne animal, mais aussi des organismes participant à la photosynthèse, ainsi que dans certaines bactéries.

Absence d’homologie séquentielle significative entre les représentants des différentes classes d’Anhydrases carboniques.

Anhydrases carboniques : classées en 3 familles différentes : α, β et γ.

Anhydrases carboniques issues du règne animal sont de type α.

β – Structure du métallobiosite

Zinc : coordiné à 3 résidus Histidines : His94, His96 et His119

Géométrie tétraédrique déformée, complétée par une molécule d’eau.

γ – Fonction biologique

L’Anhydrase carbonique II, CA II, facilite l’échange de CO₂ dans les érythrocytes, le foie et les poumons ; intervient dans l’homéostasie acido-basique et la sécrétion de HCO₃^-.

Chez les plantes, essentielle pour la fixation du CO₂.

δ – Mécanisme

Initialement étudié à partir d’Anhydrase carbonique bovine et d’Anhydrases carboniques humaines I et II.

Les principales étapes du mécanisme réactionnel sont identiques quelle que soit l’enzyme impliquée dans ce processus.

1^ère étape : attaque de la liaison Zn-OH par CO₂   formation d’une liaison Zinc-Bicarbonate.

HCO₃^- est déplacé par de l’eau lors d’un échange de ligands.

Au cours de la seconde étape, l’ion H+ de cette molécule d’eau est transféré au solvant

(Tampon) par l’intermédiaire de l’His64, pour régénérer l’espèce catalytique active : le groupement Zn-OH.

Autre mécanisme : intervention du résidu Thr199.

Conclusion

La vie est essentiellement organique, mais, elle a évolué de façon à incorporer toutes les facettes de la chimie inorganique, susceptibles de lui être profitables.

13 éléments sont présents dans bon nombre d’organismes vivants.

4 sont présents en très fortes quantités.

Calcium : élément métallique le plus abondant de notre organisme. Une déficience en Calcium est responsable de la fragilité osseuse.

9 autres éléments : « éléments traces ».

Fer : élément métallique trace le plus abondant de notre organisme, dont la présence est vitale. Mais, le Fer : extrêmement toxique, si excès : hémochromatose.

                                                                              Annexes

1 – La réaction de Belousov-Zhabotinsky

a – Généralités

b – Historique

Etude du mécanisme du cycle de Krebs en utilisant un modèle chimique inorganique.

Mais mise en évidence d’un système oxydo-réducteur complexe évoluant périodiquement :

« Réaction oscillante de Belousov-Zhabotinsky ».

c – Mécanisme réactionnel

Succession d’environ 80 étapes élémentaires et 26 variations de concentrations

BrO₃^- réduits par Br^- en Br₂.

Br₂ réagit avec l’acide malonique pour générer l’acide bromomalonique.

L’acide bromomalonique réagit avec Ce^(+IV) (jaune en solution, bleu en présence de ferroïne) en libérant des ions Br^-.

Ce⁴⁺ réduit en Ce^(+III) (incolore en solution, rouge en présence de ferroïne).

Les ions bromures réagissent sur BrO₃^- pour générer Br₂ qui réagit sur l’acide malonique, pour redonner de l’acide bromomalonique ... jusqu’à disparition complète de Ce^(+IV)  solution rouge.

  → la concentration en ions Br^- décroît.

A ce moment là, l’agent réducteur des bromates n’est plus Br^-, mais HBrO₂.

Les ions bromates sont réduits par HBrO₂, en radicaux BrO₂ qui sont eux-mêmes réduits en HBrO₂, en présence des sels de Ce^(+III) qui sont oxydés en Ce^(+IV),   changement de coloration de la solution du rouge au bleu.

L’acide bromomalonique peut à nouveau libérer des ions bromures en régénérant le Ce^(+III).

Les ions bromures voient alors leur concentration augmenter progressivement. Au bout d’un certain temps, cette concentration est suffisante pour à nouveau réduire les ions bromates et ainsi recommencer le cycle des ions bromures.

d – Intérêts de la réaction de Belousov-Zhabotinsky ?

2 – La vitamine C, un phénomène oxydo-réducteur en milieu biologique

a – Généralités

La vitamine C : indispensable à notre organisme (propriétés anti-oxydantes et antiscorbutiques, entre autres).

L’homme : un des deux seuls mammifères incapables de synthétiser la vitamine C dont son organisme a besoin.

En théorie, la vitamine C ne devrait, en aucun cas, traverser les parois cellulaires.

Quelques minutes après son ingestion, elle se retrouve dans le compartiment cérébral.

b – Comment expliquer ce phénomène ?

Plusieurs hypothèses ont été proposées.

c – Quel est l’intérêt de ce phénomène ?