Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Equipe PCRE Etude des mécanismes de complexation de l’Uranyle et du Thorium par des biomolécules phosphorylées G. Creff, S. Safi, A. Jeanson, J. Roques, P. Lorenzo Solari, E. Simoni, C. Vidaud, C. DenAuwer

Interactions An – Organismes vivants IngestionInhalationIntégration subcutanée Excrétion Transport dans le sang Assimilation au niveau des organes cibles Toxicité radiologique (brûlures, altération de gènes, cancers…) Toxicité chimique (substitution d’éléments essentiels : Fe 3+, Ca 2+ …, altération du métabolisme) Mécanismes de transport et d’assimilation des An ? Contamination des organismes vivants Etude à l’échelle moléculaire Intégration cutanée Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Mécanismes de transport et d’assimilation des An Déterminer la distribution d’actinides dans une population de protéines sériques (classement en fonction de leur affinité vis à vis de l’actinide) Obtenir des informations structurales sur les complexes d’actinides avec des protéines impliquées dans le turn-over osseux, riches en phosphorylations et clusters acides (forte affinité avec les An) Matrice osseuse Cible privilégiée pour l’accumulation des An : U(VI), Th(IV), Np(IV), Pu(IV) Identification des molécules cibles qui véhiculent les An et celles conduisant à son accumulation osseuse Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Etude de molécules biologiques phosphorylés simplifiées (acide aminé, peptide) Ostéopontine OPN système complexe Impliquée dans la croissance de la matrice osseuse : assure le lien entre les ostéocytes et l’hydroxyapatite Impliquée dans la régulation des excès de calcification (os, reins) Protéine fortement phosphorylée appartenant à la phase organique du tissu osseux : Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Mais

Protéine : Ostéopontine Outils de caractérisation à l’échelle moléculaire AnLigands U(VI) et Th(IV) Forte interaction avec les groupements phosphates UO 2 2+ : géométrie spécifique Th(IV) : représentatif de PU(IV) Acide aminé : P-Ser Peptide: H-8-V diphosphorylé Structure locale du cation actinide au sein du complexe? EXAFS, IR-TF, SLRT Méthodologie Complexité structurale croissante Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Apport de la spectroscopie ATR-IRTF Permet la mise en évidence de la complexation métal-ligand Informations sur : la nature des groupements impliqués dans la complexation (carboxylates cm -1 ; phosphates cm -1 ) La nature des liaisons établies au sein du complexe (monodentate, bidentate…) Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Faisceau IR Détecteur Echantillon Cristal de diamant Utilisation d’un système de réflexion totale atténuée dans le moyen IR :

Nature des liaisons établies entre les An et les acides carboxyliques : Nakamoto, 1997 Si Δ C >> Δ L, la coordination est de type monodentate (I) Si Δ C << Δ L, la coordination est bidentate (III) Si Δ C ≤ Δ L, le métal est pontant (II) (I) (II) (III) Δ C = a M (COO - ) - s M (COO - )Δ L = a L (COO - ) - s L (COO - ) Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Apport de la spectroscopie ATR-IRTF

Mélange de fonctions carboxylates mono et bidentates CarboxylatesPhosphates Thorium – Phosphosérine : IRTF Importantes modifications spectrales Disparition des bandes (CO) libres et (PO) libres + Apparition de nouvelles bandes 1730 cm -1 (C=O) libres 1250 cm -1 (P=O) libres Mise en évidence de la complexation par les groupements phosphates et carboxylates as (P-O) s (P-O)  (O-P-O) Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Informations sur l’environnement local du métal : - Nature et nombre de voisins - Distance absorbeur-voisin - Distribution radiale des distances Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Apport de la spectroscopie EXAFS Extended X-Ray Absorption Fine Structure

4 O molécule eau Thorium – Phosphosérine : EXAFS N= 9 Modèle DFT Extraction du signal EXAFS 5.9 O( phos ) à 2.37 Å, 2.2 O (carb bi) à 2.67 Å 0.9 O (wat ) à 2.55 Å 5.9 P à 3.76 Å 1 carboxylate monodentate 2 O carboxylate bidentate 2 O phosphate phosphore O phosphates Nombre de coordination : 9 Forte interaction avec les groupements phosphates Pas d’interaction monodentate avec les groupements carboxylates Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Thorium – Phosphosérine Influence des conditions expérimentales Pas d’influence notable des conditions expérimentales sur l’environnement local du métal Th-pSer 1 : Th solution + Pser solution (1:6 ; pH~1.5; Tamb); précipitation immédiate Th-pSer 2 : Th solution + Pser poudre (1:6 ; pH~1.5; Tamb); précipitation lente Th-pSer 3 : Th solution + Pser poudre (1:6 ; pH~1.5, T=5°C); précipitation lente Th-pSer 1 Th-pSer 3 Th-pSer 2 phosphore Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Thorium – Peptide : EXAFS 4 O( phos ) à 2.36 Å 1.4 O (carb mono) à 2.29Å 2 O (carb bi) à 2.49Å 1.6 O (wat ) à 2.61 Å 4 P à 3.73 Å Influence des conditions expérimentales pH 2-3; 1:1 pH 2-3; 1:2 pH 1-2; 1:1 phosphore Structure du complexe peu influencé par les conditions expérimentales N= 9 Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

5.3 O( phos ) à 2.37 Å 1.7 O (carb bi) à 2.69 Å 1.9 O (wat ) à 2.56 Å 5.3 P à 3.76 Å phosphore Thorium – Ostéopontine : EXAFS pH 1; 1:1 [OPN] = 84 mM Nombre de coordination : 9 Forte interaction avec les groupements phosphates Pas d’interaction monodente avec les groupements carboxylates Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Uranyle-Phosphosérine : IRTF CarboxylatesPhosphates Mélange de fonctions carboxylates mono et bidentates 1730 cm -1 (C=O) libres 1250 cm -1 (P=O) libres Importantes modifications spectrales : Disparition des bandes (CO) libres et (PO) libres + Apparition de nouvelles bandes (UO 2 ) Mise en évidence de la complexation par les groupements phosphates et carboxylates as (P-O) s (P-O)  (O-P-O) 890 cm -1 (UO 2 ) Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Uranyle-Phosphosérine : EXAFS 2 O ax 1 O éq carboxylate monodentate 1 O éq phosphate 1 O éq molécule eau 2 O éq carboxylate bidentate UO 2 -PSer N= 7 Modèle DFT Extraction EXAFS 2 Oyle à 1.78 Å 2 O (carb + phos) à 2.29 Å 2 O (carb bid) à 2.49 Å 1 P à 3.80 Å Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Résultats Samir Safi

Uranyle-peptide : SLRT Speciesmaxima (nm)Lifetime (µs) UO complex hydroxyde n = 0.92 ± 0.2 Log k = 3 ± 0.2 L’hydroxyde se forme à partir de pH 3.5 Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Résultats Samir Safi

Uranyle – Peptide : EXAFS EXAFS + DFT UO 2 -H8v Nombre de coordination : 7 Le même complexe est observé sur toute la gamme du pH (Résultat en accord avec SLRT) 2 Oyle à 1.76 Å 1 O (phos) à 2.25 Å 4 O (carb bi et H20) à 2.34 Å 1 C à 2.90 Å 1 P à 3.80 Å 2 O éq molécule eau 2 O ax 1 O éq carboxylate monodentate 2 O éq carboxylate bidentate Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes Résultats Samir Safi

Conclusion Uranyle Forte affinité avec les groupements carboxylates Pas d’influence des conditions expérimentales Th Forte affinité du Th avec les groupements phosphores Pas d’influence des conditions expérimentales Structure de complexes An – biomolécules phosphorylées impliquées dans l’ostéogénèse Modèles simplifiés (An-aa, An-peptide) transposables à systèmes plus compliqués (An-protéine) Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Remerciements Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes IPN Orsay S. Safi A. Jeanson E. Simoni Synchrotron SOLEIL /MARS P. L. Solari B. Sitaud ICN Nice C. Den Auwer CEA Marcoule / DSV C. Vidaud L. Qi C. Basset Financement Programme transversal de toxicologie du CEA; projet SPECUL’OS

Poster IPN Etude de l’influence de la géométrie des peptides sur la structure locale des complexes Travail sur un analogue des An(III) : Eu Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes

Posters PCRE Journées Nationales de Radiochimie et de Chimie Nucléaire, 4-5 Octobre 2012, Nantes