Soutenance mémoire
Les métaux en biologie
Les métaux de transition
Définition
Le terme métal désigne, avec les metalloïdes et les non métaux, une des trois catégories présente dans le tableau périodique des éléments (Williams et da Silva, 2006).
Les métaux sont des éléments chimiques qui peuvent perdre des électrons pour former des cations et qui ont des oxydes basiques (Atkins et Jones, 1997). A partir de cette définition, la plupart des éléments peuvent être décrits comme métaux. De ce fait, ils sont subdivisés dans des classes chimiques différentes, selon leur place dans le tableau périodique (métaux alcalins, métaux alcalino-terreux, métaux de transition, lanthanides etc…). Les métaux de transition regroupent tous les éléments présents dans le bloc d du tableau périodique, qui s’étend de la colonne 3 à la colonne 12 (périodes 4 à 7) mais qui n’inclut pas les lanthanides ni les actinides. Les éléments de transition ont tous leur orbitale s saturée mais, diffèrent par leur orbitale d incomplète. C’est précisément cette orbitale qui, parce qu’elle n’est pas totalement remplie, permet aux métaux de transition de former des complexes avec des ligands non métalliques, comme les chaînes latérales des protéines (Housecroft et Constable, 2006; Pearson, 1966) La formation de ces complexes et les réactions qu’ils catalysent font des métaux de transition des constituants essentiels pour les organismes vivants (Nies, 2007). Bien que le zinc, qui possède une orbitale d complète, ne soit pas au sens strict un métal de transition, il partage beaucoup des propriétés bio-inorganiques des métaux de transition et sera considéré comme tel dans la suite de ce manuscrit (Bertini et al., 1994).
Géométrie de coordination
La théorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) permet de prédire la géométrie des molécules. Elle est basée sur le fait que les paires d’électrons sont placées le plus loin possible les unes des autres, du fait de leurs charges négatives qui se repoussent (Lewis et Evans, 2006). Le modèle VSEPR est utilisé principalement pour les molécules contenant un atome central du bloc p. Kepert a appliqué ce modèle aux molécules ayant un métal du bloc d comme atome central. Selon ce modèle, le métal est au centre d’une sphère et les ligands se repoussent de la même manière que les électrons dans la théorie VSEPR. Ils bougent à la surface de cette sphère et le modèle prédit leurs positions relatives en fonction du nombre de ligands présents (Housecroft et Constable, 2006) .
Les métaux dans la cellule
Les éléments chimiques essentiels à la vie sont répartis en trois grandes parties : les éléments majoritaires (H, C, N, O, S), les macrominéraux (Na, K, Mg, Ca, Cl…) et les éléments traces dont font partie les métaux de transitions (Fe, Zn, Cu , Mo, Ni, Co, Mn…)(Mertz, 1981).
Rôle des métaux dans la cellule
Bien qu’ils soient utilisés en plus faible quantité que les macrominéraux, les métaux sont essentiels à la vie de tous les organismes. En effet, ce sont ces éléments traces qui confèrent à certaines protéines les propriétés catalytiques et structurales indispensables à leur activité (Mertz, 1981). De nombreuses enzymes agissant dans des processus biologiques fondamentaux comme la photosynthèse, la respiration et la fixation de l’azote ont des cofacteurs métalliques. Le rôle des ions métalliques dans la catalyse est le plus souvent relié à la stabilisation de charges négatives sur des états de transitions ou des intermédiaires de réaction, à l’activation de substrats grâce à leurs caractéristiques d’acide de Lewis ou à des réactions redox, qui entraînent, dans ce cas, leur association avec des cofacteurs organiques (Andreini et al., 2008). Le zinc et le magnésium sont de loin les ions les plus courants parmi les métaux non redox, tandis que le fer est le métal qui prévaut pour les catalyses redox (Andreini et al., 2008). Cependant, d’autres métaux de transition interviennent dans des réactions équivalentes à celles qui impliquent le fer ou le zinc et peuvent parfois les remplacer. Au contraire certaines réactions biologiques requièrent la présence d’un métal très spécifiques qui ne peut être substitué par aucun autre. Tous les métaux ne sont pas utilisés dans les mêmes proportions dans tous les règnes du vivant. Ainsi, on peut dire que le nickel et le cobalt sont, par exemple, employés par 98% des archeae et 80% des bactéries dont le génome a été séquencé tandis que leur utilisation est plus restreinte chez les eucaryotes (Zhang et Gladyshev, 2009).
Chimie de coordination des métaux en biologie
Les métaux impliqués dans des processus biologiques sont, soit liés directement aux protéines, soit à des cofacteurs (comme les porphyrines ou les cobalamines), soit à des clusters, eux-mêmes ligands de protéines. Les principaux atomes ligands des métaux sont l’azote, l’oxygène, le soufre et le carbone (Bertini et al., 1994). Ils peuvent utiliser différentes géométries de coordination.
Par exemple le nickel et le cobalt adoptent majoritairement des géométries octaédriques dans les protéines (pour chacun, 5 cas recensés sur 10) tandis que le zinc est penta ou tétracoordiné (10 cas sur 13) . On retrouve la préférence du cobalt pour l’hexacoordination dans une étude des composés métallo-organiques de la Cambridge Structural Database (210 cas sur 247). Dans ces types de complexes, le nickel peut être tétra ou hexacoordiné (845 cas sur 873) tout comme le zinc (218 cas sur 292) . Bien que ces résultats datent de 1998, il est certain que la nature du métal influe fortement sur le type de coordination qu’il va adopter dans les protéines ou dans les complexes chimiques.
Affinité des métaux pour les protéines
Tout au long de la série des métaux de transition (de Mn2+ à Cu2+), la taille des ions diminue, tandis que l’affinité de l’ion métallique pour les électrons augmente (ce qui est inversé pour le zinc). En conséquence, la relative affinité du métal pour les atomes non-métalliques ou les anions, qui peuvent donner ou partager des électrons, augmente. Ainsi la série d’Irving-Williams (Irving et Williams, 1948) classe les métaux en fonction de leur capacité d’interaction avec les ligands (Williams et da Silva, 2006).
Ca2+ < Mg2+ < Mn2+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ > Zn2+
En général, l’affinité des métaux pour les métalloprotéines suit l’ordre défini par cette série. Ainsi, le cuivre et le zinc ont souvent des affinités plus fortes pour la majorité des métalloprotéines que les autres métaux. Ces ions doivent donc être tenus éloignés des sites réservés aux cations de plus faible affinité. Des systèmes de transport et de stockage permettent de maintenir une concentration extrêmement faible de ces ions sous forme libre dans le cytoplasme des cellules (Waldron et Robinson, 2009).
Enzymes dépendant du nickel
Les êtres humains n’utilisent pas le nickel et celui-ci est généralement toxique chez les mammifères. Toutefois, c’est un élément trace essentiel chez les champignons et les micro-organismes, ce qui rend les métalloenzymes à nickel attractives pour le développement de nouvelles cibles thérapeutiques (Zhang et Gladyshev, 2009). Dans les enzymes le nickel est, soit sous forme cationique, soit implanté dans des clusters multinucléaires pouvant inclure des acides aminés modifiés ou des ligands exogènes (Li et Zamble, 2009). La manière dont ces protéines sont sélectives pour leur métal catalytique n’est pas établie. En revanche nous savons que dans le cas des clusters, l’assemblage du métal dans les protéines se fait fréquemment par l’intermédiaire de protéines chaperons comme HypB, HypA et SlyD qui participent à la formation de la [NiFe]-hydrogénase active ou comme UreE qui participe à celle de l’uréase .
Uréase
L’uréase fut la première enzyme contenant du nickel à avoir été caractérisée. Elle catalyse l’hydrolyse de l’urée en dioxyde de carbone et en ammoniaque (Takishima et al., 1988). Elle est essentielle au métabolisme de l’azote de beaucoup d’organismes et ainsi, participe de façon fondamentale, au cycle globale de l’azote (Carter et al., 2009). C’est également un facteur de virulence chez un certain nombre de micro-organismes pathogènes (Collins et D’Orazio, 1993). Le site actif, qui contient le nickel, est très conservé chez les plantes et les bactéries (Holm et al., 1996). La structure cristallographique de l’uréase révèle un complexe dinucléaire de nickel lié à des histidines, à un aspartate, ainsi qu’à un groupe carboxylate fourni par une lysine carbamylée.
Le site de liaison au métal contient également trois molécules d’eau dont au moins deux sont nécessaires à l’activité catalytique (Jabri et al., 1995).
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Table des matières
Introduction
1 Les métaux en biologie
1.1 Les métaux de transition
1.1.1 Définition
1.1.2 Géométrie de coordination
1.2 Les métaux dans la cellule
1.2.1 Rôle des métaux dans la cellule
1.2.2 Chimie de coordination des métaux en biologie
1.2.3 Affinité des métaux pour les protéines
1.2.4 Concentration des métaux dans les cellules
1.2.5 Toxicité des ions métalliques
1.2.6 Enzymes dépendant du nickel
1.2.6.1 Uréase
1.2.6.2 [NiFe]-Hydrogénase
1.2.6.3 Superoxyde Dismutase
1.2.6.4 Carbone monoxyde déshydrogénase
1.2.6.5 Méthyl-CoM Réductase
1.2.6.6 Glyoxalase I
1.2.7 Enzymes dépendant du cobalt
1.2.7.1 Vitamine B12
1.2.7.2 Protéines à cobalt non-corrine
1.2.7.3 Utilisation du cobalt en chimie bio-inorganique
2 Homéostasie des métaux lourds
2.1 Qu’est-ce que l’homéostasie des métaux lourds ?
2.2 Import des ions métalliques
2.2.1 Import dans le périplasme du nickel et du cobalt
2.2.2 Import dans le cytoplasme des ions nickel et cobalt
2.2.2.1 Les transporteurs de type ABC (ATP Binding Cassette)
2.2.2.2 Les perméases NiCoT
2.2.2.3 Les transporteurs d’ions divalents CorA
2.3 Efflux des métaux
2.3.1 Systèmes d’efflux de la membrane cytoplasmique
2.3.1.1 Les ATPases de type P1B
2.3.1.2 Les protéines de la famille CDF (Cation Diffusion Facilitators)
2.3.1.3 Les transporteurs spécifiques du cobalt et du nickel
2.3.2 Systèmes d’efflux à travers la membrane cytoplasmique et la membrane périplasmique : les familles RND, MFP et OMF
2.4 Les stratégies de défense des bactéries
2.4.1 Exclusion du métal par l’imperméabilité de la membrane
2.4.2 Séquestration intracellulaire
2.4.3 Séquestration extracellulaire
2.4.4 Détoxication enzymatique
2.4.5 Réduction de la sensibilité les cibles cellulaires
3 Régulation de l’homéostasie des métaux de transition
3.1 Les métallorégulateurs
3.1.1 NikR
3.1.2 RcnR
3.1.3 NmtR et KmtR
3.1.4 Nur
3.2 Les systèmes à deux composants
3.2.1 Description générale
3.2.2 Système PhoP/PhoQ
3.2.3 Résistance au fer et au stress oxydatif
3.2.3.1 SenRS et HbpS
3.2.3.2 Autres systèmes
3.3 Systèmes dépendants des facteurs σECF
3.3.1 Description générale : les facteurs σECF
3.3.2 Le système σE chez E. coli
3.3.3 La régulation de l’import de fer
3.3.3.1 Transport du fer via des sidérophores
3.3.3.2 Transport du fer via des hémophores chez Serratia marcescens
4 Le déterminant cnr de Cupriavidus metallidurans CH34
4.1 Cupriavidus metallidurans CH34
4.1.1 Description générale
4.1.2 Intérêt biotechnologique de C. metallidurans CH34
4.1.3 Les systèmes de résistance aux métaux lourds
4.1.3.1 Déterminants situés sur le chromosome et sur le méga-plasmide
4.1.3.2 Déterminants situés sur le plasmide pMOL30
4.1.3.3 Déterminants situés sur le plasmide pMOL28
4.2 Le système Cnr
4.2.1 Régulation de l’expression de cnrCBA
4.2.1.1 Le système de régulation CnrYXH
4.2.1.2 Induction du système par les métaux
4.2.2 La protéine CnrX
4.2.2.1 Séquence de CnrX
4.2.2.2 Etudes préliminaires sur CnrX
4.2.2.3 Caractérisation de la protéine CnrXs
Conclusion
