1 ère Partie : Les métaux en milieux biologiques

1 ère Partie : Les métaux en milieux biologiques 1 La vie, est-elle organique? La Biologie et la Vie : organiques. Chimie Organique, i. e. 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. 1 Licence de Biochimie

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). 2 Licence de Biochimie

3 Les métaux en systèmes biologiques 1 Métaux «bulks» et métaux «traces» 12 éléments métalliques sont, ou seraient, indispensables à l être humain. Pour une personne de 75 Kg : Métal Symbole Z masse molaire (g.mol -1 ) g/75kg Sodium Na 11 22,99 70-120 Magnésium Mg 12 24,31 25 Potassium K 19 39,10 160-200 Calcium Ca 20 40,08 1100 Vanadium V 23 50,94 0.015 Chrome Cr 24 52,00 0.002 Manganèse Mn 25 54,94 1 Fer Fe 26 55,85 4-5 Cobalt Co 27 58,93 0.0012 Cuivre Cu 29 63,55 0.080-0.120 Zinc Zn 30 65,37 2-3 Molybdène Mo 42 95,94 0.01 3 Licence de Biochimie

1 a 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 (Mg 2+ ) 170 g de Potassium (K + ) 1100 g de Calcium (Ca 2+ ). L élément métallique le plus répandu dans le corps humain : le Calcium. 1 b 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),... 1 c 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. 2 Métaux traces 9 métaux traces, 2 sous-groupes : métaux traces métaux ultra-traces. 4 Licence de Biochimie

2 a 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 «3d 10», donc ne peut pas intervenir lors de processus oxydo-réducteurs, mais comme acide extrêmement fort, en captant un doublet électronique libre. 2 b 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. 5 Licence de Biochimie

4 Quel est le rôle des ions métalliques en systèmes biologiques? 1 Généralités Métallobiomolécules réparties en deux grandes familles : Protéines et non-protéines. 2 Rôle structural du centre métallique 2 a 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. 2 b - Géométrie du biosite Principales géométries : bipyramide à base carrée, ou octaèdre : L L L M L L L Vitamine B12, hémoglobine, Transferrines 6 Licence de Biochimie

pyramide à base carrée : L L M L L L hémoglobine (fragments béta de l hémoglobine) tétraèdre : L M L L L 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. 3 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. 7 Licence de Biochimie

2 ème Partie : Réactions biologiques faisant intervenir des métaux 1 Réactions d échanges électroniques ou d oxydo-réduction 1 Réactions rédox en chimie Rappels et Généralités 1 Généralités Oxydo-réduction : échange irréversible d électrons entre une espèce donnant un électron (Réducteur, Red 1 ) et une espèce captant cet électron (Oxydant, Ox 2 ). ne - Red 1 Ox 2 L espèce qui donne l électron est oxydée. Celle qui capte l électron est réduite. ne - Red 1 Ox 2 - n e - + n e - Oxydation Réduction Red 1 génère la forme oxydée (Ox 1 ). Ox 2 génère la forme réduite (Red 2 ). ne - Red 1 Ox 2 Oxydation Réduction - n e - + n e - Ox 1 Red 2 Oxydo-réduction : échange d électrons entre les couples rédox Ox 1 /Red 1 et Ox 2 /Red 2. 8 Licence de Biochimie

Réduction + n e - Ox / Red - n e - Réduction Ox 1 / Red 1 : Red 1 Ox n 1 e - 1 + (x a) Ox 2 /Red 2 : Ox 2 + n 2 e - Red 2 (x b) Oxydation (perte d'e - ) a Red 1 + b Ox 2 b Red 2 + a Ox 1 Réduction (capture d'e - ) 2 Degré d oxydation Caractérise l état d oxydation de l élément. N est pas une charge réelle, mais un état fictif, un outil conventionnel qui caractérise la configuration électronique de l élément et ses propriétés. 3 Prévision des réactions rédox Réaction précédente permise si : E (Ox2/Red2) > E (Ox1/Red1) Un oxydant réagit avec un réducteur de potentiel normal inférieur au sien : 9 Licence de Biochimie

V E (potentiel normal croissant) Ox 2 -- Red 2 Pouvoir oxydant croissant Ox 1 -- Red 1 Pouvoir réducteur croissant 4 Echelle de potentiels normaux et conséquences Cuivre: 0 (Cu, métallique) ; + I (Cu +, cuivreux) ; + II (Cu 2+, cuivrique). Etats d oxydation les plus usuels : 0 et + II. Cu + : beaucoup moins usuel, instable en solution aqueuse. Cu + /Cu : Cu + + e - Cu E Cu+/Cu = + 0,52 Volt Cu 2+ / Cu : Cu 2+ + 2 e - Cu E Cu2+/Cu = + 0,35 Volt Cu 2+ /Cu + : Cu 2+ + e - Cu + E Cu2+/Cu+ = + 0,17 Volt E (Volt) V Cu + -- + 0,52 Cu Pouvoir oxydant croissant Cu 2+ -- + 0,35 Cu Pouvoir réducteur croissant Cu 2+ -- + 0,17 Cu + 2 Cu + Cu + Cu 2+ 10 Licence de Biochimie

En présence d ammoniaque, espèces en présence : Cu (+II) (NH 3 ) 4 2+, Cu (+I) (NH 3 ) 2 + et Cu (0). Cu + + 2 NH 3 Cu +I (NH 3 ) 2 + Cu 2+ + 4 NH 3 Cu +II (NH 3 ) 4 2+ Cu +II (NH 3 ) 4 2+ + e - Cu +I (NH 3 ) 2 + + 2NH3 E Cu+II/Cu+I = + 0,06 V Cu +I (NH 3 ) 2 + + e - Cu + 2NH 3 E Cu+I/Cu = - 0,13 V E (Volt) V Cu + -- + 0,52 Cu Pouvoir oxydant croissant Cu 2+ -- + 0,35 Cu Pouvoir réducteur croissant Cu 2+ -- + 0,17 Cu + Cu +II 2+ (NH 3 ) 4 -- + 0,06 Cu +I + (NH 2 ) 2 Cu +I + (NH 3 ) 2 -- - 0,13 Cu Etat d oxydation + I du Cuivre stable en présence d ammoniaque : Cu + Cu +II (NH 3 ) 4 2+ 2 Cu +I (NH 3 ) 2 + Etat d oxydation non usuel du Cuivre en solution aqueuse stabilisé en présence d ammoniaque, sous forme d un complexe «ammine». 11 Licence de Biochimie

2 Exemples de réactions d oxydo-réduction en milieux biologiques 1 - Les fonctions métaboliques essentielles du Cuivre 1 - Généralités Le Cuivre : co-facteur clé dans de nombreux processus oxydo-réducteurs et pour le transport d oxygène. En milieu biologique, Cuivre (+ I) et (+ II). Cuivre + I : préférentiellement Cystéine et Méthionine (ligand S) Géométrie tétraédrique (4 ligands) ou trigonale (3 ligands). Cuivre (+ II) : préférentiellement ligands azotés (Histidine) ou oxygénés (Sérine, Thréonine, Tyrosine ou H 2 O) Géométries variées (carré plan, bipyramide à base triangulaire, bipyramide à base carrée, ). Les sites actifs répartis en 3 classes, en fonction de leurs caractéristiques spectroscopiques : Type 1 (T 1 ) : forte absorption vers 600 nm : coloration bleue intense de l enzyme, d où le nom de protéine cuivre bleue. 1 noyau métallique contenu dans le site actif. bipyramide à base triangulaire ou tétraèdre déformés. Type 2 (T 2 ) : 1 centre métallique est incolore. Principal ligand : l Histidine. Géométrie: moins restrictive plus grand nombre de structures. Type 3 (T 3 ) : 2 noyaux métalliques liés l un à l autre via un ligand Forte absorption à 330 nm. 4 ème classe : 3 noyaux métalliques sous forme de cluster à 3 centres : 1 centre (1 noyau) T 2 et l autre centre (2 noyaux) T 3. Exemple : Laccases, site T 2 /T 3 (+ 1 troisième site métallique de type T 1 ). 12 Licence de Biochimie

2- Galactose oxydase (EC 1.1.3.9) a Structure de la biomolécule La Galactose oxydase : - enzyme extra-cellulaire - un seul fragment polypeptidique (639 acides aminés) - secrétée par certaines variétés de champignons et de moisissures pathogènes b Structure du métallobiosite 1 seul centre métallique, de type T 2, au degré d oxydation + II, à proximité de la surface de la protéine. Pyramide à base carrée. Cu entouré de 5 ligands : 2 ligands Histidines : His496 et His581 ; 2 ligands Tyrosines : Tyr272 et Tyr495 (en position axiale) ; 1 molécule d eau H 2 O ou un acétate. Galactose oxydase : seule métalloenzyme à posséder deux résidus Tyrosines dans son environnement de coordination. Présence d une liaison thioéther entre Tyr272 et Cys228, en position ortho de la fonction phénol du résidu Tyrosine. C-S-C : liaison intramoléculaire formée par l enzyme elle-même («self-processing»), de façon réversible en présence d oxygène O 2 avec intervention du Cuivre, absolument indispensable à l activité catalytique de l enzyme. Enzyme monomérique avec 2 sites oxydo-réducteurs. 13 Licence de Biochimie

c - Fonction biologique de la Galactose oxydase Catalyse la réaction d oxydation d alcools primaires en aldéhydes correspondant, notamment les dérivés de type galactose. Réaction extrêmement sélective : systématiquement en position 6 du fragment galactose. Réaction concomitante : réduction d oxygène O 2 en peroxyde d hydrogène H 2 O 2 : phénomène relativement rapide, pour la production rapide de peroxyde d hydrogène afin d assurer la défense de l organisme contre les bactéries. Réaction globale d oxydation d alcool primaire en aldéhyde : R-CH 2 OH + O 2 R-CHO + H 2 O 2 alcool Iaire aldéhyde d - Mécanisme Grandes lignes connues mais mécanisme global non encore totalement élucidé. Plusieurs hypothèses mais une certitude : nécessité d un seul centre métallique mais de 2 électrons. Oxydation de Cys228 par de l oxygène et du Cuivre (+ II) liaison thioéther avec Tyr272 puis le radical libre phénoxy. Tyr495 récupére le proton labile de la fonction alcool primaire du substrat. L alcoolate réagit ensuite avec le radical phénoxy Tyr272 radical cétyle extrêmement réactif transfert d un électron en excès du cétyle vers l atome central Cuivre (+ II). réduction du Cu (+ II à + I) et transformation du cétyle en aldéhyde. En présence d oxygène O 2, Cuivre + I est réoxydé en Cuivre + II, et O 2 est réduit en peroxyde d hydrogène H 2 O 2, en régénérant le site actif initial. 14 Licence de Biochimie

3 Tyrosinase (EC 1.14.18.1) a Structure de la biomolécule Tyrosinase : différentes enzymes qui catalysent l oxydation de noyaux phénoliques, comme la Tyrosine, ou polyphénoliques. Tyrosinases : isolées à partir de nombreux organismes, très fréquentes parmi les eucaryotes, mais également chez certains procaryotes. Toutes ces enzymes n ont pas forcément la même structure : Tyrosinases issues des Streptomyces genus, Streptomyces glaucescens et Neurospora crassa : monomériques. Tyrosinase issue de la moisissure de l Agaricus bisporus : protéine tétramérique, comportant deux types de sous-unités différentes. Tyrosinase d origine humaine : glycoprotéine. b Structure du métalobiosite des Tyrosinases 2 centres métalliques T 3, chaque centre est coordiné par 3 ligands Histidines (N) (triangulaire). 1 molécule d O 2 peut s intercaler entre ces deux centres. c Fonction biologique des Tyrosinases Tyrosinases : très fréquentes dans les moisissures et chez les vertébrés, catalysent l étape initiale de la formation de la mélanine et autres pigments, à partir de la Tyrosine. Elles catalysent, deux types de réactions, liées l une à l autre : ortho-hydroxylation d un mono-phénol, en ortho-diphénol ou catéchol : Monophénolase 15 Licence de Biochimie

oxydation à deux électrons de l ortho-diphénol en ortho-quinone. Catécholase ou Catéchol oxydase ou Diphénolase d Mécanisme Oxygène incorporé dans le substrat lors de l ortho-hydroxylation, provient d O 2. Les deux électrons requis pour assurer la réduction du second atome d oxygène en H 2 O proviennent du substrat Les noyaux métalliques cuivriques conservent leur degré d oxydation (+ II). L enzyme assure l intégralité des transferts électroniques. Première possibilité : - intercalation d O 2 entre les centres métalliques - fixation d un phénol, par l un des centres cuivriques - un oxygène intercalé réagit sur le noyau aromatique pour générer un précurseur du diphénol. Deuxième possibilité, après fixation d O 2 entre les centres métalliques : - fixation d un noyau aromatique portant deux groupements hydroxy en position ortho - Réaction avec l oxygène intercalé génération d ortho-quinone et H 2 O. - Présence d un 2 nd pont hydroxy entre les deux centres métalliques fixation d une nouvelle molécule ortho-diphénol et répétition du processus. 16 Licence de Biochimie

4 Laccases (EC 1.10.3.2) a Structure de la biomolécule Laccase : famille de glycoprotéines faisant partie des Multicopper Blue Proteins (MBP ou protéines bleues à plusieurs noyaux cuivres). Classées en 2 groupes, en fonction de leur provenance (plantes ou moisissures de champignons). Egalement présentes dans quelques bactéries. Fort degré de similitude entre les Laccases, avec certaines différences locales. b Structure du métallobioiste des Laccases Un trait commun des Laccases : 4 centres métalliques cuivres, 1 T 1, ou Cuivre bleu, et un cluster à 3 noyaux T 2 /T 3. Cuivre T 1 connecté au cluster trinucléaire T 2 /T 3 par un fragment tripeptidique His-Cys-His. T 1 et T 2 /T 3 : séparés de 12,5 Å, caractéristique des laccases. c Fonction biologique des Laccases Laccases : catalysent l oxydation d ortho- et para-diphénols, amino-phénols, polyphénols, polyamines, aryldiamines, et certains ions inorganiques. Réaction d oxydation couplée à une réaction de réduction de O 2 en eau. Exemple : oxydation des lignanes (phénols) qui en polymérisant en lignine, polyphénol, de masse molaire est supérieure 10 000 g.mol -1 (10 kda). d Mécanisme Plusieurs hypothèses mécanistiques ont été proposées mais le substrat est systématiquement oxydé à proximité du site T 1. Les électrons libérés au cours de cette réaction sont transférés au cluster T 2 /T 3. 17 Licence de Biochimie

Transfert électronique rendu possible du fait de la proximité des centres métalliques (distance : 12,5 Å). Le substrat est oxydé à proximité du site T 1 qui est réduit en Cu +. Cet électron est ensuite transféré à un autre centre métallique cuivrique de type T 2 ou de type T 3, régénérant le centre cuivrique T 1 et un centre métallique cuivreux T 2 ou T 3. Le noyau cuivrique T 1 peut dès lors être impliqué dans un nouveau processus d oxydation du substrat tout en étant à nouveau réduit en Cu +.. Ce processus se répète jusqu à ce que tous les centres métalliques se retrouvent à l état de Cu + forme totalement réduite qui ne peut plus participer à l oxydation d un substrat. Intervention d O 2 pour régénérer les centres cuivriques et reprise du processus réactionnel. 18 Licence de Biochimie

5 Quercétinase (EC 1.13.11.24) a Structure de la biomolécule Quercétinase ou 2,3-QD : glycoprotéine homodimère (2 monomères protéiques identiques) de masse molaire voisine de 50 kda avec deux noyaux Cuivre (1 Cu de type T 2 /monomère). Exprimée par des champignons, se développant sur des milieux de culture contenant de la quercétine, comme source de Carbone et d énergie. b Structure du métallobiosite Centre métallique de type T 2, entouré de 3 ligands Histidines : His66, 68 et 112. 2 géométries distinctes : tétraèdre déformé : cuivre entouré de 3 ligands Histidines et 1 H 2 O bipyramide à base triangulaire : Glu73 participe à la complexation Les deux géométries sont importantes pour l activité catalytique de l enzyme. c Fonction biologique Quercétine : dérivé aromatique de la famille des flavonoïdes. OH OH O HO O O OH O OH flavone quercétine Flavonoïdes : molécules organiques présentes dans le monde végétal, assurant un grand nombre de fonctions biologiques. Quercétine : un des flavonoïdes les plus abondants dans la Nature. Quercétinase : catalyse la réaction de dioxygénation des flavonols comme la quercétine, en produisant du monoxyde de carbone et le depside correspondant (ester phénolique) : 19 Licence de Biochimie

HO O OH OH quercétinase HO O OH OH OH O OH O 2 CO OH O COOH consommation d O 2 piège à oxygène ou à radicaux libres. d Mécanisme 1 ère étape : génération d une espèce activée : - complexation du Cu (+II) par le substrat organique déprotoné par échange acidebase avec Glu73 avec génération de Cu (+I) activation du ligand organique, qui va réagir avec de l oxygène moléculaire, en générant un intermédiaire bi-radical formation d un intermédiaire cyclique endo-peroxyde à 5 chaînons, dont 2 atomes d oxygène liés entre eux 2 ème étape : ouverture de ce cycle réactif par clivage de plusieurs liaisons covalentes, pour libérer le depside et CO. 20 Licence de Biochimie

2 Le Cobalt en milieux biologiques 1 - Introduction Cobalt : élément trace le moins abondant dans le corps humain : vitamine B12 et ses cofacteurs. 2 - Vitamine B12 et co-facteurs Existence: suggérée dans les années 1920 (Minot & Murphy, 1926). Structure : élucidée par diffraction des rayons X (Hodgkin). a Structure de la métallobiomolécule Vitamine B12, ou cobalamine. Co : - degré d oxydation + III - géométrie octaédrique : - entouré d 1 macrocycle tétraazoté («corrine») - 2 ligands axiaux, dont un (CN) (ligand artificiel). Dans la Nature, «méthyle» (méthylcobalamine) ou «adénosyle» (5-déoxyadénosylcobalamine) Dans tous les cas, 1 trait commun : une liaison Co-C, ce qui en fait l un des rares composés organométalliques naturels. b Fonctions biologiques Vitamine B12 et d acide folique : impliqués dans la synthèse de l ADN. O COOH O HN H 2 N N N N H N H N H COOH acide folique (vitamine B9) 21 Licence de Biochimie

Vitamine B12 : co-facteur organométallique fondamental pour une réaction de transfert de groupement méthyle. 2 réactions enzymatiques dépendantes de la vitamine B12 sont connues : - la conversion de l Homocystéine en Méthionine. - la conversion de l acide méthylmalonique en acide succinique. Déficience en vitamine B12 : dérèglement de ces processus biochimiques pouvant entraîner une hyper-homocystéinémie, i. e. augmentation du niveau d Homocystéine dans le sérum sanguin. c Mécanisme La vitamine B12 et ses co-facteurs : rôle important dans différentes réactions, dont le transfert d un méthyle vers l Homocystéine pour générer la Méthionine. SH vit B12 S N H O vit B9 N H O homocystéine méthionine Réaction catalysée par la Méthionine synthétase, enzyme vitamine B12 dépendante. Enzyme, de type Méthyl transférase, constituée d une chaîne protéique de 1227 résidus acides aminés (masse molaire de l ordre de 136 kda). Au cours de ce processus, la vitamine B12 accepte le groupement méthyle cédé par le CH 3 -H 4 folate, avant de le transférer à l Homocystéine. Le Cobalt est oxydé du DO + I au DO + III. Les complexes de Cobalt sont des espèces très réactives, notamment au DO + I. De nombreux mécanismes ont été suggérés. 3 proches de la réalité, sans certitude : - mécanisme de type SN 2, analogue à celui décrit en Chimie Organique - addition oxydante d un groupement méthyle sur l atome de Cobalt - transferts électroniques impliquant à chaque fois un seul électron 22 Licence de Biochimie

3 Autres exemples de réactions impliquant des métaux en milieux biologiques 1 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 Zn 2+ : une orbitale «d» pleine (3d 10 ) 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. - Zn 2+ : 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 : rôle fonctionnel : participation à la réaction 23 Licence de Biochimie

rôle structural : participation au maintien et à la stabilisation de la structure tridimensionnelle de la protéine. 2 Anhydrase carbonique II (EC 4.2.1.1) a Structure de la biomolécule Catalyse l hydratation réversible du dioxyde de carbone : CO 2 + H 2 O H + - + HCO 3 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. b Structure du métallobiosite Zinc : coordiné à 3 résidus Histidines : His94, His96 et His119 Géométrie tétraédrique déformée, complétée par une molécule d eau. c Fonction biologique L Anhydrase carbonique II, CA II, facilite l échange de CO 2 dans les érythrocytes, le foie et les poumons ; intervient dans l homéostasie acido-basique et la sécrétion de HCO - 3. Chez les plantes, essentielle pour la fixation du CO 2. d Mécanisme Initialement étudié à partir d Anhydrase carbonique bovine et d Anhydrases carboniques humaines I et II. 24 Licence de Biochimie

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 CO 2 formation d une liaison Zinc-Bicarbonate. HCO - 3 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. 25 Licence de Biochimie

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 BrO 3 - réduits par Br - en Br 2. Br 2 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 -. Ce 4+ réduit en Ce (+III) (incolore en solution, rouge en présence de ferroïne). Les ions bromures réagissent sur BrO - 3 pour générer Br 2 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 HBrO 2. Les ions bromates sont réduits par HBrO 2, en radicaux BrO 2 qui sont eux-mêmes réduits en HBrO 2, 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). 26 Licence de Biochimie

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? 27 Licence de Biochimie