Le tableau 2 résume les biomolécules qui utilisent des ions métalliques. Beaucoup de ces molécules sont des protéines. Environ 30% des enzymes ont un ion métallique sur leur site actif. Ces métallo-enzymes facilitent des réactions variées, comme l’hydrolyse acido-catalysée (réalisée par les hydrolases), les réactions rédox (oxydases et oxygénases) et les réarrangements des liaisons carbone carbone (synthases et isoméras). Les ions métalliques ont aussi des rôles structuraux. Par exemple, l’ion Ca²⁺ est impliqué dans les déformations des protéines. Le tableau 3 montre que les molécules contenant des ions métalliques remplissent des fonctions importantes comme le transport d’électrons, de sites de stockage des métaux, de sites de liaison et de stockage d’Oxygène, et la transmission de signaux. Les ions métalliques sont aussi impliqués dans des réactions photo-redox, comme c’est le cas pour la chlorophylle, une molécule qui capte de l’énergie.

Bien que certaines fonctions mentionnées soient partagées avec des espèces non métalliques, il est clair que les complexes métalliques jouent un rôle majeur en biologie. Leurs modes d’interventions sont diverses et variées. Les ions métalliques jouent un effet inductif par la coordination au site de réaction, servent de sites rédox qui fonctionnent par transfert d’électron ou d’atome. La sélectivité s’opère par le biais d’ions ayant la taille approprié, la préférence stéréochimique, le caractère soft-hard, ou le potentiel réducteur.

Tableau 2 : Classification de quelques biomolécules ayant des ions métalliques

 Nous traiterons dans une large mesure des polypeptides. Ces macromolécules sont formées à partir de α aminoacide liés par une liaison peptidique.

          H(CHR₁R₂)N ----C(O)—C(HRN)

Les vingt différents acides α aminés présents naturellement dans les protéines sont listés dans le tableau 3 avec leurs abréviations.

Notons que les chaines de ces aminoacides ont divers groupes fonctionnels : alkyle,  carboxyle (COOH), amino (--NH2), hydroxyle (--OH) et thiol (--SH). Les groupements alkyls confèrent un caractère hydrophobe et les groupements plus polaires confèrent un caractère plus ou moins hydrophile. Beaucoup de ces groupements polaires servent d’acides au sens de Bronsted, ou de bases au sens de Lewis dans leur complexation avec des ions métalliques. Un rôle important des résidus peptidiques est la modification de l’environnement immédiat des ions métalliques dans les métallo-enzymes (tableau 3).

En plus de leur rôle dans les processus biologiques, les ions métalliques, sous forme de minerai cristalline ou de solides amorphes, sont importants comme des matériaux de structure de nombreux organismes (tableau 4).

Tableau 4 : Minerais dans des structures biologiques

 

La principale matière première pour la production du phosphore élémentaire et de l’acide phosphorique est constituée par les roches phosphatées, les restes insolubles, écrasés et compactés d’organismes anciens, dont les minéraux principaux sont la fluoroapatite Ca₅(PO₄)₃F et l’ hydroxyapatite  Ca₅(PO₄)₃OH.

Ca₅(PO₄)₃F(s)   + 5H₂SO₄(I)      →   3H₃PO₄(I)  + 5CaSO₄(s) + HF (aq)              

Le polluant potentiel, le fluorure d’hydrogène, qui vient du fluorure de la roche, est piégé par une réaction avec les silicates pour donner l’ion complexe moins réactif    [SiF₆]^2-       

L’hydroxyapatite est largement répandue dans le milieu animal comme le constituant principal des os, des dents et des coquilles. Dans les minéraux il existe avec d’autres substances, par exemple dans les os et les dents, l’hydroxyapatite coexiste avec la protéine collagène qui contrôle sa morphologie, son développement et influence ses propriétés mécaniques. Le Silicium est moins répandu dans les composés de la nature. Une exception est à noter, l’utilisation majeure de l’hydroxyle de Silicium dioxyde dans les diatomées qui vivent dans les mers.

En résumé, les ions métalliques sont utilisés pour la catalyse, le signalement, le stockage d’énergie, la maintenance des structures soft-hard des matériaux biologiques.