Les éléments chimiques dans les êtres vivants sont nombreux sous des formes diverses et en quantités variables. Sont distingués, de façon assez arbitraire, les macroéléments dont la teneur est supérieure à 1 mg par kg ou 1 ppm et les microéléments dits oligoéléments de teneur inférieure, en alimentation humaine. Le terme de microélément est parfois utilisé comme intermédiaire entre macro et oligoélément.

Le terme d'oligoélément est introduit par le chimiste Gabriel Bertrand, dont les travaux au début du siècle montrent l'action de ces éléments sur les sols, les plantes et les animaux, et dont les besoins en quantités infimes les distinguent des « éléments majeurs » ou « macroéléments ». En règle générale, une carence dans un oligoélément donné se traduit par un grave trouble physiologique qui disparait par l'introduction de l'oligoélément (oligoélément essentiel). Un excès de certains oligoéléments peut induire des troubles toxiques.

Leur nature et variété dépend de l'organisme en cause.

Nature des éléments La présence d'un élément ne préjuge pas de sa forme. Dans les êtres vivants, les métaux sont absents mais leur forme oxydée, ionique, peut être présente : le sodium, métal très réducteur est absent mais les ions Na+ sont présents.

Éléments dans les molécules organiques Les molécules organiques contiennent, autour du Carbone, d'autres éléments : Oxygène, Hydrogène, Azote, Soufre… y compris parfois des ions métalliques (Fer II ou III, Cobalt…). En solution, d'autres ions peuvent se fixer sur les molécules organiques, en particulier les protéines et les acides nucléiques (sodium, magnésium…). Ces liaisons sont transitoires de type liaisons ioniques entre les cations (métaux alcalins ou alcalinoterreux tels que sodium, potassium ou calcium) et les groupements négatifs des chaines latérales des acides aminés, ou entre le magnésium et les résidus phosphate des acides nucléiques.

Nature des ions minéraux présents Ils sont souvent qualifiés de sels (combinaison de cations et anions comme le chlorure de sodium Na+, Cl-) mais leur dissolution sépare les ions.

Les ions minéraux sont des substances chimiques ionisées, cations ou anions, qui entrent dans la composition des organismes et qui sont présents dans l'alimentation des êtres vivants (animaux, végétaux, champignons, bactéries, archées et à la limite virus). Ce sont par exemple Ca2+ pour le calcium et Cl− pour le chlore. Ces ions ont de nombreux rôles dans les organismes vivants et sont indispensables à des concentrations très variables. Il existe bien sûr des ions organiques comme l'acétate (éthanoate) CH3-COO- et des sels solides correspondant comme l'acétate de sodium CH3-COO- ,Na+.

La plupart des éléments minéraux sont sous forme ionique hormis la silice (dioxyde de silicium SiO2), les gaz (O2, CO2…) et l'eau H2O. Aucun métal n'est présent chez les êtres vivants..

Les ions minéraux rencontrés chez les êtres vivants sont :

Ions minéraux majeurs ou macroéléments Par ordre alphabétique : ammonium (NH4+) calcium (Ca2+); magnésium (Mg2+) ; nitrate (NO3-) rare phosphore sous forme de phosphates (PO43- et ses dérivés) ; potassium (K+) ; sodium (Na+) ; soufre sous forme de sulfate (SO42-) et ses dérivés)

Oligo-éléments par ordre alphabétique : arsenic (As) ; bore (B) ; brome (Br-) ; chlore (Cl-) ; chrome (Cr) ; cobalt (Co) ; dans la cobalamine cuivre (Cu2+) ; fer (Fe2+ ou 3+) ; fluor (F-) ; iode (I-) ; manganèse (Mn) ; molybdène (Mo) ; nickel (Ni) ; silicium (Si) ; sélénium (Se) ; vanadium (V) ; zinc (Zn2+).

Chez les végétaux, les principaux oligoéléments sont, par ordre alphabétique : le bore, le cuivre, le fer, le manganèse, le molybdène et le zinc.

Pour avoir une idée des quantités nécessaires aux plantes : un hectare de vigne absorbe, par an (en moyenne et environ), 200 grammes de bore, de cuivre, de fer, de manganèse, 4 grammes de molybdène et de zinc. Par comparaison, il faudra 80 000 grammes (80 kg) de potasse (K2O) ou de calcium.

Macroéléments chez l'humain Chez l'homme, les différents macroéléments sont chiffrés dans le tableau suivant pour un homme de 70 kg. Attention, certains des éléments ne sont pas minéraux mais organiques (combinés au carbone à l'exception des carbonates CO32-, hydrogénocarbonates HCO3- et dioxyde de carbone CO2). La dernière colonne indique le besoin journalier tenant compte des pertes liées au métabolisme. Les masses sont exprimées en g de l'élément. Toutes ces données numériques sont sujettes à variation… RangÉlément chimique %molMasse en gBesoins journaliers en (grammes)1Oxygène61,432 70043 000 -2Carbone22,861 30016 0003003Hydrogène106907 000 -4Azote2,571291 80055Calcium1,43251 00016Phosphore1,11257800,87Potassium0,23,614028Soufre0,24,4140 -9Sodium0,164,3100110Chlore0,142,795 -11Magnésium0,030,78190,4TotalMacroéléments1004 884,7870 074 -

Microéléments ou oligoéléments Le terme d'oligoélément est introduit par le chimiste Gabriel Bertrand, dont les travaux au début du montrent l'action de ces éléments sur les sols, les plantes et les animaux, et dont les besoins en quantités infimes les distinguent des « éléments majeurs » ou « macroéléments »..

Les oligo-éléments essentiels répondent aux critères suivants. : être présents à une concentration relativement constante dans les tissus d'un organisme ; provoquer, par leur absence ou leur retrait, des anomalies structurelles et physiologiques proches, et ce de façon similaire dans plusieurs espèces prévenues ou guéris par l'apport du seul élément.

Rôles des différents éléments par élément ÉlémentSymbole chimiquePourcentage de la masse corporelle humaine en %Rôles (chez les animaux)OxygèneO65,0 %Constituant des molécules organiques de l'eau et du dioxygène. Le dioxygène est l'oxydant de la respiration aérobie utilisant des réducteurs comme le glucose, les acides gras… (combustibles alimentaires) et permettant la synthèse de l'ATP principal vecteur de l'énergie cellulaireCarboneC18,0 %Constituant des biomolécules organiques (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques)HydrogèneH10,0 %Constituant des molécules organiques ; H+ Détermine le pH des liquides organiquesAzoteN2,6 %Constituant des protéines et des acides nucléiques ADN et ARNCalciumCa2+1,4 %Ca2+ est un constituant essentiel de l'os et des dents en combinaison avec le phosphate. Contribue à la contraction musculaire, la transmission de l'influx nerveux et la coagulation sanguinePhosphorePO43-0,6 %PO43- est un constituant essentiel de l'os et des dents en combinaison avec le calcium Ca2+. PO43- est un constituant essentiel à de nombreuses biomolécules (acides nucléiques ARN et ADN), ATP, des protéines…PotassiumK+0,20 %Présent dans les cellules où il participe à l'équilibre électrique de la cellule, la propagation de l'influx nerveux et la contraction musculaireSoufreS0,20 %Présent dans la plupart des protéines sous forme d'acides aminés soufrés (cystéine et méthionine)SodiumNa+0,14 %Présent dans les liquides cellulaires (à concentration élevée dans les liquides extracellulaires et faible dans les liquides intracellulaires où il participe à l'équilibre électrique de la cellule, la propagation nerveuse et la contraction musculaireChloreCl-0,12 %Cl-, présent dans les liquides cellulaires et participe à l'équilibre électrique cellulaireMagnésiumMg2+0,05 %Présent dans les os, contribue à l'activité enzymatique, en se liant aux phosphates des biomolécules (comme l'ATP), dans des réactions métaboliquesIodeI-0,00002 %Constituant des hormones thyroïdiennes triodothyroxine et tétraiodothyroxineFerFe2+ ou Fe3+0,006 %Constituant de l'hème de l'hémoglobine et de nombreux coenzymes dans les cytochromes. Il est aussi trouvé dans les protéines Fer-Soufre.ManganèseMn2+0,00002 %Cofacteur enzymatique (superoxyde-dismutase, glycosyltransférases, pyruvate-carboxylase, malate-déshydrogénase, arginine synthétase, glutamine-synthétase…)CuivreCu2+0,0001 %Cofacteur enzymatique (oxydase de cytochrome c…)SéléniumSe0,00002 %Cofacteur enzymatique (glutathion-peroxydase…)MolybdèneMo0,00001 %Cofacteur enzymatique (xanthine-oxydase, l' et la sulfite-oxydase)CobaltCo0,000002 %Cofacteur enzymatique (constituant de la vitamine B12 ou cobalamine)FluorF-0,0037 %Le fluorure intervient dans la structure des osZincZn2+0,0033 %Cofacteur enzymatique (enzymes à doigts de Zinc, dipeptidyl-carboxypeptidases…) et structuralChromeCr0,000003 %?BromeBr-0,0005 %Bore0,00007 %Cofacteur enzymatiqueSiliciumSiO20,002 %?NickelNi0,000014 %?LithiumLi0,000003 %? D'autres éléments, non mentionnés dans le tableau, sont retrouvés à l'état de traces : Rubidium, Strontium, Plomb, Aluminium, Cadmium, Baryum, Étain, Nickel, Or, Césium, Uranium, Béryllium, Radium…

Données adaptées de Handbook of Chemistry and Physics CRC 2008-2009.

Rôles des ions minéraux chez les animaux par rôle physiologique Les ions sont sous forme ionique essentiellement, dissous dans les liquides cellulaire et extracellulaire, et peuvent se lier de façon non spécifique avec de nombreuses molécules chargées comme l'albumine.

Certains ions sont liés de façon spécifique à certaines protéines de transport ou de stockage : dans le cas du fer II ou III interviennent la transferrine ou la ferritine, et la concentration plasmatique du fer libre est très faible avec un effet bactériostatique.

Les ions minéraux ont des rôles variés dans l'organisme animal : équilibre électrique de la cellule : c'est le cas des ions sodium, potassium et calcium. Ils interviennent dans le fonctionnement des neurones et du muscle. Le Ca2+ est une molécule de signalisation cellulaire. élément de structure : c'est le cas du phosphate de calcium des os des vertébrés, du carbonate de calcium de nombreux coquillages, de la silice des foraminifères. Un oligoélément, le fluorure, renforce la structure de l'hydroxyapatite du tissu osseux et dentaire. cofacteurs enzymatiques : les ions métalliques participent de façon active au fonctionnement de nombreuses enzymes dans tous les êtres vivants, de façon directe par intégration de l'ion au site actif de l'enzyme (cas du zinc Zn2+ par ex.) ou par intégration à des coenzymes comme dans le cas du fer II ou III dans les cytochromes, du Cobalt dans la cobalamine… Dans tous ces cas, sont alors indispensables au fonctionnement : le fer II ou III réalise les réactions rédox. agent de liaison : Dans l'hémoglobine, le fer II sert d'agent de liaison au dioxygène. Chez les arthropodes, le cuivre I ou II de l'hémocyanine permet la liaison au dioxygène avec une réaction rédox. source pour les biosynthèses : les ions ammoniums (ou l'ammoniac) sont utilisés pour la synthèse des acides aminés et des acides nucléiques, les ions sulfates pour la synthèse des acides aminés soufrés (cystéine et méthionine)… participation à la structure d'hormones : certains oligoéléments interviennent directement dans le signal hormonal, que ce soit en participant à la structure moléculaire de l'hormone (comme l'iode et les hormones thyroïdiennes) ou à sa conformation spatiale (comme le zinc et l'insuline), ou encore en agissant au niveau du récepteur hormonal ????. Ils peuvent alors faciliter ou au contraire inhiber la reconnaissance de l'hormone par son récepteur. participation au système immunitaire : Chez l'humain, certains oligo-éléments participent au bon fonctionnement du système immunitaire, par une action sur les enzymes, mais aussi par une interaction avec des molécules de l'expression et de la transformation des cellules lymphoïdes. Ils peuvent également concourir à la lutte contre les radicaux libres de l'oxygène, potentiellement toxiques.

Métabolisme chez l'humain

Formes des éléments dans les aliments Les aliments étant constitués d'êtres vivants ou de parties d'êtres vivants, apportent lors de leur consommation les ions minéraux qu'ils contiennent. Le consommateur peut ajouter du chlorure de sodium (sel de cuisine), du glutamate de sodium…