Les métaux: des origines aux biocatalyseurs d aujourd hui

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1 Les métaux: des origines aux biocatalyseurs d aujourd hui Marc Fontecave Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux, Université Joseph Fourier, CNRS, CEA/DSV/iRTSV CEA-Grenoble 17 rue des martyrs Grenoble cedex 9, France mfontecave@cea.fr; Phone: (0033) ; Fax: (0033) Collège de France, 11 Place Marcelin Berthelot, Paris Cedex 05

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3 Abondance des éléments dans l univers terre O: 62,6 % Si: 21,2 Al: 6,5 Fe: 1,9 Ca: 1,9 Na: 2,6 K: 1,4 Mg: 1,8 Autres: 0,1

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5 Abondance des éléments dans l eau de mer Un problème de solubilité Fe OH - Fe(OH) 3 Ks= ph 7 [Fe 3+ ] = M Extractabilité des éléments de la terre vers la mer; accessibilité biologique

6 Corrélation: milieu vivant/eau de mer eau de mer (mm) plasma sanguin (mm) Na Mg Ca K Cl HPO 2-4 0,001 1 SO Fe n Zn Cu Co ,5 0,002 Ni

7 Métalloprotéines et sites métalliques Carboxypeptidase (Zn) Catechol Dioxygenase (Fe) Plastocyanine (Cu)

8 hydrogenase (Ni-Fe) Centres Binucléaires Ribonucleotide reductase (Fe 2 ) Superoxide dismutase (Cu-Zn) Cytochrome oxydase (Cu-Fe)

9 Clusters aconitase Nitrogenase

10 Métallocofacteurs Monooxygenase Cytochrome P450 Nitrate reductase (Mo-molybdopterine) Methylmalonyl-CoA mutase Adenosylcobalamine

11 Fer (Fe), Cuivre (Cu) Me (n+1)+ /Me n+ des ions à différents degrés d oxydation Réactions rédox: transfert d électrons, transport et activation de l oxygène (monooxygénases, dioxygénases, oxydases.), activation de peroxydes (peroxydases, catalase, cyclooxygénase, ), etc Réactions non rédox: déhydratases (Fe) Régulation de l expression des gènes: stress oxydant, Zinc (Zn) Zn 2+ un acide de Lewis Réactions non rédox: hydrolyse (protéases, peptidases, phosphatases,..) Régulation de l expression des gènes: doigts de Zn, Manganèse (Mn): photosystème Nickel (Ni): hydrogénases, uréase Cobalt (Co): vitamine B12, méthionine synthase Molybdène (Mo): nitrogénase, formate déshydrogénase, réductases Vanadium (V): péroxydases

12 Activation de petites molécules H 2 O Zn, Ni (hydrolyse), Mn (photosystème), O 2 Fe, Cu (mono-,di-oxygénases), N 2 Mo (nitrogénase) H 2 Ni (hydrogénase) CO, CO 2 Ni (CO dehydrogenase) Zn, Fe, Ca Cu, Fe Polarisation de liaisons Transferts d électrons

13 Métaux et enzymes >4000 EC 1371 (structure) 558 (métal) 13 métaux différents I. Bertini, JBIC

14 Quel métal pour quelle fonction? (1) Le critère d abondance (2) Le critère d éfficacité chimique

15 Exemple 1: Zn 2+, le meilleur acide de Lewis H 2 O + M(H 2 O) q H 3 O + + M(OH - )(H 2 O) q-1 tet hex B H Zeff charge électrique effective r rayon ionique effectif Co, Fe, Cu, Mn?? Zn 2+ O H O=C=O

16 Exemple 2: Fe 3+/2+, le meilleur couple rédox

17 Exemple 3: Fe 2+ et Cu + pour le transport d O 2 Hemocyanine hemerythrine Hemoglobine myoglobine

18 Les métaux à l origine de la vie? Contre cations: Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ Activation de petites molécules (H 2 O, O 2, N 2, CO 2, H 2 ): Fe 2+, Zn 2+, Mn 2+, Cu 2+, Ni 2+ -4,5-3,8-3,5-1,5-1,2 Terre Océans Vie Photosynthèse procaryotes eucaryotes Organismes multicellulaires

19 Fondement de la chimie prébiotique L expérience de Miller (1953) «Atmosphère irradiée» H 2 O, CH 4 NH 3, H 2 «Océan chaud» Acides, Acides aminés, Sucres, Stanley Miller ( ) Origine hétérotrophe de la vie

20 H + Fe 2+ Ni 2+ CH 3 CO 2 H CO 2 CH 3 CO 2 H Origine autotrophe de la vie? Eau liquide H 2 CO CN - HS - H 2 CO 2 NH 3 H 2 ocean croute Absence d O 2 Atmosphère «oxydante»: CO 2, CO, N 2,.. Fe, Ni et soufre: pyrite FeS 2, greigite (FeNi)S, mackinawite, Catalyse hétérogène Hyperthermophile? (source hydrothermale) mackinawite pyrite greigite Ère du Fer (Fe 2+ ) -4,5-3,8-3,5 O -1,5-1,2 2 Terre Océans Vie Photosynthèse procaryotes eucaryotes Organismes multicellulaires G. Wächterhäuser

21 Réactions chimiques Fe(Ni)-sulfures: une source de pouvoir réducteur et un catalyseur FeS + H 2 S FeS 2 + H 2 (2H + + 2e - ) ΔG = kcal/mol CO 2 /CO: une source de carbone; H 2 S: une source de soufre (Nature 1990) Réductions 4H 2 S + 3FeS + CO (Orig. Life Evol. Biosph. 1996) 2 CH 3 SH + 3FeS 2 + 2H 2 O 3H 2 S + 3FeS + N 2 3FeS 2 + 2NH 3 (Angew. Chem. 2003) Formation de liaisons C-C Acide acétique /thioester Acides aminés CH 3 SH + H 2 O + CO CH 3 CO-OH + H 2 S CH 3 CO-OH + CH 3 SH CH 3 CO-SCH 3 CH 3 SNa + Na 2 S + KCN + CO Fe(Ni) sulfates (Science 1997) R-CH(NH 2 )COOH (Science 2006) Pyruvate 2FeS + 2H 2 S + 3CO CH 3 -CO-COOH + 2FeS 2 (Science 2000) Peptide amino acid dipeptide Fe(Ni)S CO (Science 1998)

22 HS - + Fe 2+ FeS + H + Fe(Ni)-sulfures «membranes» et «catalyseurs» de cellules «prebiotiques» W. Martin and MJ Russell (2002)

23 Centres Fe(M)S de protéines: inventions du monde biologique ou mimes d ancêtres minéraux capables d activité catalytique? Cys Cys S S Fe S Fe Ni Cys S Fe S S S Cys S Ni N S Fe Cys N Cys S Cluster A de l ACS (acetyl-coa synthase) mackinawite pyrite greigite

24 Fe(Ni)-sulfures: CO-dehydrogenase/acetyl-CoA synthase Acetyl-CoA H 2

25 Fe(Ni)-sulfures: CO-dehydrogenase/acetyl-CoA synthase A cluster Cluster C Cys Cys S S Fe S Ni S S S Cys Fe S S S Fe Fe N Cys Cys N S His Cys Cys S S Fe S Cys Fe Ni S Fe S S S Cys S Ni N S Fe Cys N Cys S

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27 Nitrogenase N 2 + 6H + + 6e - 2NH 3 Hydrogenase H 2 2H + + 2e - FeMo-co P-cluster

28 La vie à l oxygène? Oxydation et précipitation du fer Réduction massive du carbone Disparition massive d organismes vivants

29 La vie à l oxygène: conséquences Adaptation: systèmes antioxydants (métalloenzymes) Methane monooxygenase Stratégies moléculaires de solubilisation des oxydes de fer et de réduction à l état Fe 2+ Nouveaux cofacteurs enzymatiques: Cu 2+, heme, Fe-O-Fe,.. Disparition des centres fer-soufre Fe 2 O 3 /Fe 2+ : - 0,2V Fe 2+ /Fe: - 0,44V Ère du Fer (Fe 2+ ) Cu 2+ /Cu: + 0,34V Cu 2+ /Cu 2 S: + 0,2V -4,5-3,8-3,5(+/-) O 2-2,3-1,5-1,2 Terre Océans Vie Photosynthèse procaryotes eucaryotes Organismes multicellulaires Ère du Cuivre (Cu 2+ )

30 La vie à l oxygène: conséquences Disparition des centres fer-soufre Correlation motif CX 2 CX 2 CX 3 C (120 génomes) avec: -Méthanogénèse -Archaea -Anaérobiose -hyperthermophilie