Principes de la biochimie minérale

P
PP
P
P
PP
P
P
PP
Pr
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I
I_ _ G Gé én né ér ra al li it té és s
A
A. . R Rô ôl le e d de es s m mé ét ta au ux x
Les métaux jouent des rôles diverses dans l'organisme, et souvent importants.
Ils sont très importants dans la fabrication de l'énergie (photosynthèse, respiration),
le transport d'électrons (hémoglobine, potentiel de membrane), l'équilibre osmotique
et jouent le rôle de cofacteur de nombreuses enzymes catalysant des réactions
d'oxydoréduction.
Quelques métaux importants pour le corps :
q
q Sodium : principal ion (avec le chlorure) pour l'équilibre osmotique dans le sang et les tissus
extracellulaires. Il joue aussi un rôle important dans l'influx nerveux en donnant un potentiel de
membrane.
q
q Potassium : c'est l'ion responsable de l'équilibre osmotique dans les cellules (sinon elles
explosent !). On le retrouve aussi souvent pour réguler les potentiels membranaires.
q
q Magnésium : Il stabilise et place efficacement l'ATP pour les réactions enzymatiques, c'est donc
un cofacteur très important.
q
q Fer : Cet atome est essentiel en tant que couple oxydant/réducteur, notamment dans la
respiration et la photosynthèse. Il permet aussi de transporter l'oxygène aux cellules en le
complexant dans un hème.
B
B. . L Le es s m mé ét ta al ll lo op pr ro ot té éi in ne es s
Une métalloprotéine est une protéine qui possède un atome métallique dans
un environnement protéique.
1
1) ) T Tr ra an ns sp po or rt t d d' 'O O
2
2
Le Fer piégé dans un hème, à l'intérieur de l'hémoglobine ou de la
myoglobine, complexe O
2
grâce à une liaison dative. Il n'y a aucune réaction
d'oxydoréduction. La protéine acquière une structure différente après la fixation.
Chez certains mollusques, l'oxygène est transporté par un complexe de
Cuivre, les hémocyanines.

Remarque : une porphyrine contenant un atome de Fer s'appelle un hème. Un
hème avec le Fer complètement coordiné ( au-dessus et en dessous) s'appelle un
cytochrome.
2
2) ) T Tr ra an ns sf fe er rt t é él le ec ct tr ro on ni iq qu ue e
Le Fer peut être complexé par un tétraèdre de soufre. Le soufre provient des
résidus Cystéines.
Ces complexes peuvent transitoirement stocker des électrons, pendant une
oxydoréduction par exemple. En effet, le Fer est un bon couple oxydoréducteur.
Fe
3+
+ e
-
= Fe
2+
E
0
= 0,771
Il faut se rappeler qu'avec les molécules environnantes, ce potentiel est très
largement modifié ; un même complexe peut donc avoir une fonction différente
en fonction des résidus alentours.
3
3) ) R Rô ôl le e s st tr ru uc ct tu ur ra al l
Certains atomes métalliques, notamment le Zinc (peu de propriétés
oxydoréductrices), peuvent avoir un rôle uniquement structural.
On le retrouve dans les "doigts de Zinc", des protéines qui régulent
l'expression de l'ADN. Grâce à l'angle prononcé de la protéine donné par le
Zinc, celle-ci entoure l'ADN et empêche sa transcription.
C
C. . F Fo on nc ct ti io on ns s d de es s m mé ét ta al ll lo oe en nz zy ym me es s
1
1) ) E En nz zy ym me es s h hy yd dr ro ol ly yt ti iq qu ue es s
L'anhydrase carbonique permet d'effectuer la réaction suivante :
H
2
O + CO
2
 H
2
CO
3
Ce n'est pas réellement une réaction
d'oxydoréduction. L'enzyme possède un ion
Zn
2+
qui, en se complexant aux atomes
d'oxygène du gaz carbonique permet
d'augmenter leur pK
A
. Ceux-ci se lient alors à
l'hydrogène de l'eau, tandis que le carbone
appauvri se lie à l'oxygène.
2
2) ) E En nz zy ym me es s d d' 'o ox xy yd do or ré éd du uc ct ti io on n à à u un ne e p pa ai ir re e d d' 'é él le ec ct tr ro on ns s
La sulfite oxydase possède un centre ptérine, qui associe un atome de
Molybdène et un atome de Fer. Elle permet d'échanger deux atomes d'hydrogène
(H
+
+ e
-
).
Zn
2+
O
C
O
O
H
H
Attire les
électrons
C
O
OHHO

La réaction qu'elle catalyse est :
H
2
O + SO
32-
 SO
42-
+ 2 H
+
+ 2 e
-
Une réaction similaire est catalysée par la nitrate réductase, qui possède un
centre ptérine.
H
2
O + NO
2-
 NO
3-
+ 2 H
+
+ 2 e
-
3
3) ) E En nz zy ym me es s d d' 'o ox xy yd do or ré éd du uc ct ti io on n à à m mu ul lt ti ip pl le es s p pa ai ir re es s d d' 'é él le ec ct tr ro on n
Ces enzymes à multiples électrons sont excessivement importantes pour la
vie. Elles consistent soit à produire beaucoup d'énergie (respiration, photosynthèse),
soit à incorporer un élément très stable (incorporation de l'azote) qui consomme donc
beaucoup d'énergie.
l
l
P
Pr ro od du uc ct ti io on n d d' 'é én ne er rg gi ie e
Grâce à un complexe protéique cytochrome C, avec un centre Cu
2+
et deux
hèmes de Fer, l'énergie libérée par la consommation d'O
2
est stockée dans des
molécules d'ATP (énergie cellulaire). C'est la réaction finale de la respiration.
Dans le photosystème II, contenant 4 atomes de Manganèse, l'énergie
lumineuse permet de produire des électrons et des protons requis pour former de
l'ATP. C'est la réaction à l'origine de la photosynthèse.
On peut remarquer que la respiration est la réaction inverse de la
photosynthèse. Comme la nature est bien faite !
l
l
I
In nc co or rp po or ra at ti io on n d de e l l' 'a az zo ot te e
La nitrogénase est capable de transformer l'azote, molécule très stable, en
ammoniac (tandis qu'on a besoin de 3000°C à 200 atmosphère). Elle contient trois
centres ptérines et six complexes Fe
4
-S
4
.
Cette réaction consomme 16 ATP. Cette dépense d'énergie est énorme, mais
elle permet la vie là où il n'y a pas d'autre source d'azote à part l'atmosphère.
Mo
IV
Fe
III
O
H
H
-
H
+
Mo
V
Fe
II
OH
e
-
-
e
-
Oxydation
Mo
V
Fe
III
OH
-
H
+
Mo
VI
Fe
II
O
e
-
-
e
-
Oxydation
Mo
VI
Fe
III
O
O
2
+ 4 H
+
+ 4 e
-
2
H
2
O
AD
P
+
P
AT
P
O
2
+ 4 H
+
+ 4 e
-
2
H
2
O
AD
P
+
P
AT
P
Énergie
Solaire
N
2
+ 8 H
+
+ 8 e
-
2
N
H
3
+
H
2
AD
P
+
P
AT
P

4
4) ) R Ré éa ar rr ra an ng ge em me en nt ts s
La cobalamine ou vitamine B12 possède un
atome de Cobalt complexé. Ce complexe permet de faire
des clivages homolytiques.
Ainsi ces complexes permettent de catalyser des
réaction de réarrangement, comme le citrate en isocitrate
dans le cycle de Krebs.
D
D. . R Rô ôl le e d de e c co om mm mu un ni ic ca at ti io on n
Le Fer, grâce à ses propriétés magnétiques, pourraient permettre aux
animaux de se déplacer en fonction des champs magnétiques. Elles permet aux
oiseaux migrateurs de s'orienter avec le champ magnétique Terrestre, et à des
micro-organisme d'éviter le dioxygène qui est un poison pour eux.
Les atomes Na
+
, K
+
et Ca
2+
permettent de donner un potentiel à la membrane
des cellules nerveuses. C'est ce potentiel qui permet les messages nerveux.
E
E. . I In nt te er ra ac ct ti io on n d de es s i io on ns s m mé ét ta al ll li iq qu ue es s a av ve ec c l le es s a ac ci id de es s
n
nu uc cl lé éi iq qu ue es s
Les cations Na
+
et Mg
2+
stabilisent les acides nucléiques, en neutralisant la
charge portée par les groupements phosphate. Le complexe Mg
2+
/ATP est très
important pour permettre aux enzymes d'utiliser l'ATP (Mg
2+
est un cofacteur).
Le cation K
+
permet de stabiliser la structure des télomères, essentiels pour
que les chromosomes gardent leurs fonctions.
F
F. . T Tr ra an ns sp po or rt t e et t s st to oc ck ka ag ge e d de es s i io on ns s m mé ét ta al ll li iq qu ue es s
Le Fer ne pourrait pas être utilisé tel quel par l'organisme, il formerait des
précipités inutilisables et serait même toxique (il déclenche des réactions
radicalaires). L'organisme régule donc ces ions grâce à diverses protéines.
Le fer non-fonctionnel qui apparaît ans l'organisme est transporté par des
transferrines, et stocké dans le foie au niveau de ferritines. Ces dernières peuvent
contenir 50% du fer total de l'organisme. L'albumine, présente dans le sérum
sanguin, transporte aussi des ions métalliques.
Pour le cuivre, des mécanismes équivalents existent, notamment avec la
céruloplasmine. D'autres métaux peuvent être transportés, notamment des métaux
lourds, qui doivent être évacués car ils sont très toxiques (la métallothionine peut
complexer le Cadmium et le Plomb).
G
G. . M Mé ét ta au ux x e en n m mé éd de ec ci in ne e
On peut utiliser les propriétés toxiques des métaux pour détruire
précisément certaines parties de l'organisme (notamment les tumeurs). Le
cis-platine est un anticancéreux à 90 % d'efficacité qui soigne les tumeurs
des glandes sexuelles.
I
II I_ _ P Pr ri in nc ci ip pe es s d de e c ch hi im mi ie e d de e c co oo or rd di in na at ti io on n

A
A. . A As sp pe ec ct ts s t th he er rm mo od dy yn na am mi iq qu ue es s
1
1) ) P Po ou uv vo oi ir r p po ol la ar ri is sa an nt t d de es s a ac ci id de es s e et t d de es s b ba as se es s
On définit un acide de Lewis comme une molécule qui peut prendre un
doublet d'électrons à une molécule donneuse de doublets, une base de Lewis.
On distingue encore ces molécules selon leur polarisabilité (facilité avec
laquelle ils acquièrent un dipôle dans un champ magnétique) : les acides/bases sont
durs s'ils ont une grande taille et sont polarisables, tandis qu'ils sont mous si leur
taille est petite et ils sont peu polarisables.
On observe que les acides et les bases s'associent préférentiellement entre
même type : les durs ensembles et les mous ensembles. C'est la théorie HSAB
(Hard and Soft Acid Base theory).
Acides de Lewis Bases de Lewis
Durs H
+
; Fe
3+
; Mg
2+
; Na
+
; K
+
OH
-
; H
2
O ; NH
3
; Cl
-
Mous Cu
+
; Cd
2+
; Pb
2+
; Hg
2+
H
-
; CH
3-
; CN
-
; I
-
Les acides aminés ainsi que les acides nucléiques peuvent jouer le rôle de
ligands (bases de Lewis).
2
2) ) E Ef ff fe et t c ch hé él la at te e d de e l la a s sé ér ri ie e d d' 'I Ir rw wi in ng g- -W Wi il ll li ia am ms s
Un chélate est un ligand qui coordine un cation métallique avec plusieurs
liaisons datives. L'EDTA est un ligand hexadentate par exemple.
En chimie bioinorganque, on trouve les porphyrines qui complexent les
cations métalliques selon un plan carré, laissant possibles des interactions par au
dessus et en dessous. Elles complexent des métaux comme le Fer (cytochromes), le
Magnésium (chlorophylles) ou le Cobalt (Cobalamine).
Les cations métalliques s'associent plus ou moins facilement avec les
chélates. Leur ordre d'affinité est donné par la série d'Irwing-Williams.
3
3) ) p pK K
A
A
d de es s l li ig ga an nd ds s c co oo or rd di in né és s
On observe qu'un ligand complexé voit sont pK
A
abaissé. En effet, les
électrons sont déplacés vers le métal, et les hydrogènes sont donc moins liés.
Certaines protéines utilisent cette particularité pour effectuer des réactions qui
requièrent un H acide, même si le milieu est neutre.
Ex : Molécule pK
A
H
2
O14
Zn
2+
•••OH
2
7
4
4) ) M Mo od di if fi ic ca at ti io on n d de es s p po ot te en nt ti ie el ls s d d' 'o ox xy yd da at ti io on n
Affinité
Z
Zn
2+
Cu
2+
Ni
2+
Fe
2+
Co
2+
Mn
2+
Cr
2+
V
2+