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Minéraux

1 Minéraux/Métabolismes

Environ 5 % du poids sec du protoplasme cellulaire est constitué de minéraux. Certains sont nécessaires en quantités importantes: potassium, sodium, chlore, phosphore, calcium, magneésium, soufre. D'autres interviennent à l'état de traces, ce sont les oligo-éléments, dont l'importance biologique est fondamentale: fer, cuivre, zinc, manganèse, molybdène, cobalt, iode, sélénium, vanadium, bore.
Tous ces éléments sont solubles dans l'eau, en quantité plus ou moins importante, mais le solvant eau fait aussi partie des composés inorganiques indispensables à la vie, dont le besoin quotidien est de 2 à 3 litres, apportés par la boisson, l'eau des aliments solides, et l'eau « résiduaire » résultant de l'oxydation du glucose et autres nutriments.

Calcium
La plupart du calcium humain se trouve dans le squelette qui, chez un adulte, en contient 1000 à 1500 grammes. Le calcium des autres tissus et du liquide extracellulaire ne dépasse pas 10 grammes. Le renouvellement par l'alimentation est de 0,5 à 0,8 gramme par 24 heures.
Le calcium de l'os est un complexe de phosphate et de carbonate de calcium, de magnésium, et de sodium. Il résulte de la cristallisation locale du calcium véhiculé par le liquide extracellulaire. Le calcium de l'os est en perpétuel remaniement :les cellules ostéoblastes en déposent constamment dans leur environnement, tandis que les ostéoclastes érodent les dépôts.
Dans les autres tissus, le calcium a un rôle en association avec des protéines: coagulation du sang, du lait, activation du trypsinogène, et régulateur de systèmes enzymatiques. En particulier le plasma renferme 100 mg de calcium par litre dont la moitié environ est liée à la sérum-albumine; le reste est à l'état d'ion Ca++ influençant de nombreuses réactions enzymatiques, ainsi que l'excitabilité neuro-musculaire. D'une façon générale, c'est un stabilisateur du potentiel des membranes celluaires.
Le calcium excédentaire est éliminé par les fèces, l'urine et la sueur. Une « décalcification » peut résulter de déséquilibres hormonaux, d'une carence en vitamine D, d'une diarrhée chronique, rarement d'une carence de l' ingestion alimentaire (environ 1 g/jour chez un adulte, dont 300 mg sont absorbés).
Les principales sources de calcium sont le lait, surtout consommé en fromage, les légumes et les fruits secs, ainsi que certaines eaux minérales.

Phosphore
Le corps humain comporte 600 à 900 grammes de phosphore, majoritairement combiné avec le calcium dans le squelette. Outre cette fonction, l'anion phosphore est primordialement présent dans toutes les cellules. C'est aussi un constituant des acidesnucléiques, des nucléotides, de nombreux coenzymes, notamment NAD et NADP.

En outre, les polyphosphates sont des accumulateurs d'énergie et des formes actives de substances organiques (exemples: le glucose-6-phosphate, le phosphoénolpyruvate, etc.).

Le besoin journalier de l'adulte est de 0,8 grammes. Les principales sources sont les viandes, le lait, les céréales, les légumes, en un mot, tous les aliments, ce qui rend le risque de carence très faible.

Magnesium
La plus grande partie du magnesium, environ 30 grammes dans le corps humain, se trouve dans les os, combiné au phosphate et au bicarbonate. Les autres tissus n'en contiennent que 8 grammes, lié aux protéines. Le sang renferme 2 à 4 g de magnesium pour 100 ml, à l'état de cation Mg++. Aprés le potassium, c'est le cation le plus abondant. Il active de nombreux systèmes enzymatiques, surtout ceux transférant des phosphates, particulièrement lors de la contraction musculaire. Il a aussi un rôle dans la duplication des acides nucléiques.
Les légumes verts sont les principale sources de magnesium car c'est le métal essentiel du système chlorophyllien assurant la photosynthèse. Les besoins, 0,35 g/jour chez l'adulte, sont en général couverts, sauf en cas de pertes digestives.

Soufre
Chez les plantes et beaucoup de bactéries, le soufre est fourni sous forme de sulfate et transformé en acides aminés soufrés. Chez les mammifères il est obligatoirement fourni à l'état d'acides aminés: la cystine, la cystéine et la méthionine, essentielle chez l'homme.
Le soufre, par les ponts S-S, est un élément majeur de la structure spatiale des protéines (exemple: la kératine des cheveux)
Il crée des liaisons riches en énergie au niveau de l'acétyl Coenzyme, dans le métabolisme des glucides et des lipides.
Les radicaux SH sont très souvent des sites actifs d'enzymes.
Il est intervient dans des polysaccharides, dans l'héparine, dans l'acide chondroïtine sulfurique présent dans les tissus cartilagineux.
Enfin il participe à l'élimination de composés toxiques.
Le besoin quotidien de l'adulte est de 0,2 gramme, couvert par les aliments sans risque de carence.

Les ions métalliques sodium Na+, potassium K+ et le chlore Cl- , même s'il ne représentent qu'un petite partie du poids corporel ont une importance considérable car ils tapissent les membranes de toutes les cellules, constituant ainsi une réserve d'énergie qui leur permet de réguler le transport actif de toutes les molécules entrant ou sortant de la cellule par des canaux ioniques, en fonction de la différence de potentiel électrique qui règne entre les faces internes et externes de la membrane cellullaire.
Présents dans tous les liquides corporels, ils sont donc à la clé du métabolisme minéral. Les besoins journaliers visent à compenser les pertes: chez l'adulte, sodium, 1 à 3 grammes; potassium, 2 à 5 g; chlore, 2 à 5 g. La carence n'est pas à envisager, car ils sont largement présents dans la nature avec le « sel de cuisine » ClNa, et le potassium est un constituant majeur des fruits et légumes.
En fait il n'y a pas « une membrane cellulaire » mais une infinité de membranes très différentes les une des autres selon qu'elles appartiennent au règne végétal, aux organismes microbiens, ou aux différents tissus des animaux. Chacune a sa constitution et ses propriétés physico-chimiques. Elles réalisent une frontière séparant 2 milieux hydratés : l'intérieur et l'extérieur de la cellule.
C'est en étudiant des cas particuliers, membranes d'algues, peau de grenouille, globules rouges, bactéries, etc., que l'on a pu élucider les mécanismes du passage des ions au travers des membranes par des pores. On est passé du modèle simple du film lipidique (cf Lipides 4, Figure 38) hydrophobe, c'est-à-dire rejetant l'eau et les substances hydratées, à un modèle beaucoup plus complexe dans lequel les protéines forment des canaux ioniques, en rose sur la Figure 61, ci-dessous. Seules des molécules ayant une certaine affinité pour les corps gras peuvent diffuser en traversant directement la membrane. Des ions tels que le sodium, le chlore, le potassium la franchissent par des pores qui sont des canaux remplis d'eau et chargés électriquement: négativement sur la face intra cellulaire de la membrane, positivement sur la face externe et à l'intérieur du canal. Les canaux sont le plus souvent fermés. Ils s'ouvrent de temps à autre pour laisser passer les ions entrant ou sortant des cellules, tels des écluses.
Figure 61-Modèle général de la stucture des membranes cellulaires
Figure 61-Modèle général de la stucture des membranes cellulaires

Membranes

La taille des ions et des molécules, leur polarité électrique sont des facteurs de classement dans le franchissement des canaux. Des enzymes à la surface des pores ou associés à la phase lipidique peuvent intervenir dans le transport, soit des ions (sodium, potassium), soit des substrats organiques et des nutriments comme le glucose, tout en remarquant que ce dernier est transformé en glucose-6 phosphate dés son entrée dans la cellule, ce qui implique un apport d'énergie sous forme de pyruvate. On parle alors de « transports actifs ».
D'autres molécules ne pénètrent dans la cellule qu'en étant complexées avec des protéines spécialisées dans le transport, les « ligants ».
Enfin les très grosses molécules ayant la taille de particules et insolubles pénètrent dans les cellules par des zones membranaires invaginées. La phagocytose de germes pathogènes ou de débris cellulaires par les leucocytes en est un exemple.
D'une façon générale, il faut considérer que chaque nutriment de nature glucidique, lipidique ou protéique, chaque type de molécule est associé à un système de protéines de transport et d'enzymes lui permettant de franchir la barrière membranaire en entrée ou sortie de la cellule. Il y a un véritable métabolisme des membranes dans lequel les composés minéraux ont un rôle majeur. La distinction entre macroéléments, (calcium, sodium, et autres cations et anions) et oligoéléments ne repose pas uniquement sur l'importance des besoins journaliers et le turn-over, mais aussi sur leur mode d'action dans l'organisme.
Les oligoéléments n'agissent que rarement directement à l'état libre. Ils sont pour la plupart associés à des enzymes dont ils activent l'effet catalytiques (vitesse de réaction et sens de la réaction).
C'est le cas du Fer. L'ion ferrique Fe3+ est par nature un oxydant capable de décomposer les peroxydes, par exemple l'eau oxygénée H2O2. Associé à une enzyme du type catalase, il accélère la décomposition, débarrassant les cellules rapidement de tous les peroxydes qui leurs sont très toxiques.

2 Le Fer

Le fer est omniprésent dans l'organisme qui en renferme 4 à 5 grammes chez l'homme adulte, combiné à une protéine de réserve, la ferritine. La quasi totalité des cellules végétales et animales renferment de la ferritine. En pratique toutes les denrées alimentaires en ont des quantités plus ou moins importantes. Les tables de composition des denrées alimentaires donnent leur teneur en fer, ce qui permet de calculer les apports journaliers.
L'homme adulte comporte 4 à 5 grammes de fer avec différentes aptitudes fonctionnelles:
- l'hémoglobine des globules rouges sanguins contient 60 à 70 % du fer total, sous forme d'ion ferreux Fe++ combiné à une protéine, la globine, chargée des échanges d'oxygène et de dioxyde de carbone CO2 au niveau des poumons;
- les cellules renferment du fer sous diverses formes: myoglobine dans les muscles, divers enzymes du type peroxydase et catalase, coenzymes des transporteurs d'hydrogène;
- le fer sérique est lié à une protéine de transport dans le plasma sanguin;
- environ 15 % du fer total est accumulé au titre de réserve, combiné à la ferritine, principalement dans le foie, la rate, la moelle osseuse.
Ces fonctions sont vitales pour l' organisme. Les carences en fer, ou des désordres dans son métabolisme, sont à l'origine de graves pathologies que l'on résume parfois sous le nom d' « anémie », vocable par trop simplificateur. Le bon équilibre du métabolisme impose une circulation (Figure 62, ci-dessous) et une régulation pysico-chimique et hormonale.
Figure 62-Le cycle du fer chez l'homme
Figure 62-Le cycle du fer chez l'homme

Figure 62

a) Les globules rouges sont dépourvus de noyau, du point de vue biologique, ce sont des cellules mortes. Le fer est au centre d'une matrice protéique formant une couronne schématisée sur la figurine de droite. Des milliards de globules rouges circulent dans les vaisseaux sanguins, contenant en tout 1,5 à 3 grammes de fer.

b) Au bout de plusieurs semaines d'activité les globules rouges dégénèrent et se décomposent. Le fer est reçyclé en étant combiné avec une protéine sanguine, la ferrine, à raison de 15 à 30 milligramme/jour, tandis que la protéine globulaire est décomposée en acides aminés réintégrés au pool des acides aminés (cf Protéines 2, Figure 42).

c) Une partie du fer, 0,6 à 1,2 milligramme, est stockée dans les réserves, principalement dans la moelle osseuse.

d) Les cellules des organes de réserve, ou « érythrocytes », entreprennent la construction de nouveaux globules rouges qui sont déversés dans le flux sanguin, à raison de 15 à 30 milligrammes/jour.

e) f) L'alimentation apporte le fer nécessaire pour remplacer les quantités perdues, soit 1 à 3 milligrammes/jour.


Le besoin journalier en fer est en moyenne pour les adultes et les enfants de 10 milligrammes, largement supérieur aux pertes journalières. Le fer est en effet très mal absorbé au niveau de l'intestin. Environ 90 % du fer ingéré est rejeté dans les fèces, surtout quand il s'agit de fer végétal. Aussi on majore les apports (cf tableau Figure 63, ci-dessous) pour éviter les carences, notamment chez les adolescents (apports conseillés 13 à 16 mg/jour), les femmes enceintes (25 à 35 mg/jour) ou allaitantes (13 mg/jour).

Figure 63-Apport en fer dans un menu
Figure 63-Apport en fer dans un menu

3 Autres minéraux

D'autres minéraux sont présents dans le corps en quantités moindres, mais ils sont importants par leurs fonctions.
Le cuivre (environ 100 mg chez les adultes) est un co-enzyme des transporteurs d'oxygène. Il intervient dans l'absorption intestinale du fer, dans la synthèse de l'hémoglobine, des cytochromes, et chez les plantes, de la chlorophylle. Dans le plasma, le cuivre est combiné à une α-globuline secrétée par le foie pour être véhiculée dans tous les organes. Besoin journalier de l'homme adulte : 2 à 3 mg.

Le cobalt est un constituant de la vitamine B12.

Le zinc est néccessaire à l'activité de nombreux enzymes. Il stabilise l'insuline. Dans les plantes, il intervient dans la synthèse de la chlorophylle, des hormones végétales de croissance, de floraison et de production de graines.

L'iode est essentiel à la vie. L'homme adulte en comporte 20 à 50 mg, dont environ 8 mg dans la glande thyroïde, à l'état de thyroglobuline. Transportée par le sang, elle est présente dans tous les organes, où elle active la consommation d'oxygène, d'où son importance dans les muscles, la croissance du fœtus, le développement du cerveau, etc. Besoin journalier de l'homme adulte : 0,15 mg. La carence en iode se manifeste principalement dans les contrées éloignées des rivages marins.

Le manganèse est essentiel pour les plantes, les bactéries et les animaux, comme co-enzyme dans de nombreuses réactions. Les plantes sont particulièrement sensibles à sa carence. Les feuilles se nécrosent et tombent. Chez l'animal, il est stocké dans le foie et les reins, tout comme le molybdène, co-enzyme intervenant dans la constitution des ADN. Chez les plantes, le molybdène est essentiel pour la fixation de l'azote.

Les sels de fluor, combinés aux ions métalliques déjà cités, sont des inhibiteurs des enzymes auxquels ces ions sont combinés. Le fluor est un puissant inhibiteur de la croissance bactérienne. Il est connu surtout pour réduire l'incidence des caries dentaires. Il agit à des doses de quelques microgrammes par jour. Les fortes doses ont des effets toxiques pour l'organisme.

On a évoqué des minéraux utiles, mais il en est qui non seulement ne semblent pas avoir de fonctions, mais ont des effets toxiques à doses très faibles : plomb, arsenic, étain, chrome, etc...Il existent dans les milieux vivants à des concentrations de une à cent parties par million. Les organismes se laissent pénétrer par eux. Se fixant sur des protéines, ils contribuent à accélérer la dégénérescence des cellules qui les captent et les éliminent, non sans dégats pour l'organisme.