Etude théorique de quelques aspects de la réactivité des bases de l’ADN Définition de nouveaux outils d’étude de la réactivité chimique Vanessa LABET Directeur de thèse : Pr. André GRAND Laboratoire Lésions des Acides Nucléiques

Plan Problématique Outils Résultats Conclusions et perspectives L’ADN Les lésions étudiées Cas particulier de la désamination spontanée de la cytosine Outils Surface d’énergie potentielle Indices de réactivité Profils de réaction Méthodes de calcul Résultats Proposition d’un mécanisme pour la désamination de la cytosine Rationalisation des différences de réactivité induites par des modifications structurales Etude des mécanismes concertés asynchrones Conclusions et perspectives 08 septembre 2009

1. Problématique 08 septembre 2009

Copyright © 1983 Scientific American, Inc. L’ADN 5’ 3’ 4’ 1’ 2’ Bases : Copyright © 1983 Scientific American, Inc. All rights reserved adénine guanine thymine cytosine 5-méthylcytosine 08 septembre 2009

Lésions étudiées Désamination de la cytosine (hydrolyse) Dimères de bases pyrimidiques (photocycloaddition [2+2]) cytosine uracile Pontage intrabrin (addition radicalaire) cyclobutadipyrimidine dinucléoside 5’-TT-3’ pyrimidine (6-4) pyrimidone dinucléoside 5’-GT-3’ G^T 08 septembre 2009

Désamination spontanée de la cytosine Données expérimentales 5 6 T=37°C et pH=7,4 A T=37°C et pH=7,4 Simple brin x 300 5-méthylcytosine (ADN simple brin) Double brin x 4-5 A T=80°C et pH=7,4 Simple brin x 1,2 Cytosine (ADN simple brin) nucléotide x 3.105 Simple brin:  A pH=7,4 5,6-dihydrocytosine (base libre) T. Lindahl et B. Nyberg, Biochemistry, 1974, 13, 3405 M. Ehrlich et al., Bioscience Reports, 1986, 6, 387 L.A. Federico et al. Biochemistry, 1990, 29, 2532 S. Slae et R. Shapiro, J. Org. Chem., 1978, 43, 1721 08 septembre 2009

2. Outils 08 septembre 2009

Outils Recherche du mécanisme réactionnel Rationalisation de la différence de réactivité Exploration de la surface d’énergie potentielle Evaluation d’indices de réactivité Etude plus approfondie du mécanisme Tracé de profils de réaction 08 septembre 2009

Exploration de la surface d’énergie potentielle V  R TS P Coordonnée interne 1 Coord. Int 2 V Approximation de Born-Oppenheimer Surface d’énergie potentielle Méthodes statiques Théorie de l’état de transition Recherche de points stationnaires Analyse vibrationnelle Calcul de la coordonnée intrinsèque de réaction à partir des états de transition Extraction des grandeurs thermodynamiques d’activation et de réaction à T, p 08 septembre 2009

Les indices de réactivité dits de la DFT conceptuelle Ensemble canonique propension du système à attirer les électrons à lui (électronégativité) richesse des sites réactionnels en électrons potentiel chimique densité électronique résistance du système à un transfert d’électrons aptitude d’un site à recevoir ou céder de la densité électronique noyau de polarisabilité fonction de Fukui dureté chimique hyperdureté descripteur dual prépondérance du caractère Nu ou E d’un site 08 septembre 2009

Les indices de réactivité de la DFT conceptuelle Ensemble canonique indices locaux sélectivité indices globaux potentiel chimique réactivité densité électronique indices non-locaux noyau de polarisabilité fonction de Fukui dureté chimique hyperdureté descripteur dual 08 septembre 2009

Indices d’électrophilie Global Local (Parr et al., 1999) Contrôle électrostatique Contrôle de transfert de charge Comparaison intermoléculaire Comparaison intramoléculaire (Morell et al., 2005) (Ayers et al., 2007) 08 septembre 2009

Les profils de réaction Force de réaction (Toro-Labbé, 1999) x x R TS P Activation : F<0 – Relaxation : F>0 Le profil de force s’annule en R, TS et P 2 extrema permettant de définir les zones de R, TS et P Quantifier la part de l’énergie d’activation qui sert à la réorganisation géométrique, et celle qui sert au transfert électronique proprement dit 08 septembre 2009

Les profils de réaction Dureté chimique P Dureté chimique Résistance au transfert de charge R TS Principe de Dureté Maximum (Pearson, 1987)  max à R et P Corollaire :  min à TS 08 septembre 2009

Méthodes de calcul DFT : Théorie de la Fonctionnelle de la Densité électronique Théorèmes de Hohenberg-Kohn (1964) Généralisation du principe variationnel Fonctionnelle hybride B3LYP (Becke 1993) la plus utilisée Logiciel : Gaussian 03 Base de Pople triple- Hydratation : PCM (continuum diélectrique) 6-311G(d,p) =78,39 (eau) 08 septembre 2009

3. Résultats Désamination spontanée de la cytosine à pH neutre 08 septembre 2009

Mécanisme proposé dans la littérature Mécanisme de type SNAr : addition - élimination Calcul B3LYP/6-31G(d) Expérience étape cinétiquement déterminante  mécanisme à améliorer M.H. Almatarneh et al. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8227 08 septembre 2009

Mécanisme proposé Mécanisme de type SNAr : addition - élimination mouvement des électrons 1. Addition Nucléophile Assistée  activation du cycle aromatique 2. Protonation 3. Elimination 4. Déprotonation V. Labet et al., Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 429 08 septembre 2009

Identification de la forme réactive La forme réactive est celle pour laquelle la force de réaction s’annule (énergie en kJ/mol)  plus tard ξ Forme plus stable que la forme réactive Forme réactive 08 septembre 2009

Cohérent avec les données cinétiques expérimentales : Diagramme d’énergie Addition Nu Protonation Elimination Déprotonation PCM/B3LYP/6-311G(d,p) L’addition nucléophile constitue l’étape cinétiquement déterminante (ECD) Cohérent avec les données cinétiques expérimentales : Ea=117±4 kJ/mol T=298K La molécule d’eau assistante permet de diminuer considérablement la barrière d’activation à franchir 08 septembre 2009

Cytosines modifiées  Données expérimentales à T=37°C : Théorie de l’Etat de Transition (Eyring) :  échelle logarithmique 105 Données expérimentales à T=37°C : 5,9 28,6 4,4 Le mécanisme proposé pour la désamination spontanée de la cytosine en milieu neutre permet de reproduire la différence de réactivité des différentes formes de la cytosine. V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 2524 08 septembre 2009

Cytosines modifiées Cytosine 1,29 0,91 0,71 5-méthylcytosine 1,22 0,74 0,84 5,6-dihydrocytosine 1,00 0,86 0,92 Electrophilie Globale Locale Contrôle électrostatique Contrôle de transfert de charge L’AN est sous contrôle de transfert de charge. La 5-méthylcytosine et la 5,6-dihydrocytosine se désaminent plus vite que la cytosine car leur carbone C4 a un meilleur pouvoir électrophile. en eV ; charge ChelpG ; en 10-2 eV V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 2524 08 septembre 2009

ECD* : des profils de réaction particuliers Profils ECD désamination Profils types pour une étape élémentaire Energie potentielle V Force de réaction F = - dV/dξ énergie V énergie V force F force F un épaulement avant l’état de transition 4 extrema de force de réaction  Différents des profils « universels » pour une étape élémentaire V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 11487 *ECD : étape cinétiquement déterminante 08 septembre 2009

ECD : des profils de réaction particuliers Profil ECD désamination Profil type pour une étape élémentaire TS TS Dureté η Dureté η minimum de dureté ≠ état de transition minimum de dureté à l’état de transition  Apparente contradiction avec le Principe de Dureté Maximum V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 11487 08 septembre 2009

Profils particuliers – origine : asynchronicité ? distances en Ǻ V. Labet et al., Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 429 08 septembre 2009

Vérification sur un autre exemple 3. Résultats Lien profils de réaction particuliers Mécanismes concertés asynchrones Vérification sur un autre exemple 08 septembre 2009

Cycloaddition [2+2] Etat de transition à l’état fondamental : tautomère imine de la cytosine à l’extrémité 3’ thymine à l’extrémité 5’ formation d’un cycle azétidine Etat de transition à l’état fondamental : C5-N4’ : 1,485Å C6-C4’ : 2,606Å Mécanisme Concerté Asynchrone TS1_TC DFT/B3LYP/6-31G(d,p) (vide) 08 septembre 2009

d’énergie potentielle Profils de réaction Épaulement d’énergie potentielle 4 extrema de force Intersection conique avant TS1_TC ? η min avant TS1_TC 08 septembre 2009

3. Résultats Mécanismes concertés asynchrones : support théorique 08 septembre 2009

Problématique Quel sens physique pour l’état de transition d’un mécanisme concerté asynchrone ? Réaction chimique Élémentaire (1 seul état de transition) Par étapes (succession de réactions élémentaires) Processus concerté (plusieurs processus primitifs) Processus primitif Synchrone Asynchrone 08 septembre 2009

Modélisation d’un processus primitif VR Modèle qui permet de reproduire les profils « universels » d’énergie potentielle et de force de réaction pour une étape élémentaire 08 septembre 2009

Cas de 2 processus primitifs 2 processus asynchrones : + = + = Energie V Force F Energie V Force F 1+2  1 étape élémentaire (mécanisme concerté) 1+2  2 étapes élémentaires successives profils ≈ profils universels Energie V Force F Energie V Force F 1+2  1 étape élémentaire (mécanisme concerté) 1+2  1 étape élémentaire (mécanisme concerté) profils ≠ profils universels profils ≠ profils universels 08 septembre 2009

Mécanisme concerté asynchrone Processus 1 en phase de relaxation Processus 2 en phase d’activation <  L’asynchronicité des 2 processus primitifs rend le mécanisme plus facile Energie nécessaire au processus 2 sans le processus 1 Energie nécessaire au processus 2 grâce au processus 1 08 septembre 2009

Cas de 2 processus primitifs Et pour la dureté ? hypothèse : Le Principe de Dureté Maximum est valable pour les processus primitifs max à et min à max à et min à approximation : approximation harmonique au voisinage de ξTS1 et ξTS2 08 septembre 2009

Cas de 2 processus primitifs Et pour la dureté ? état de transition apparent du mécanisme concerté minimum de dureté du mécanisme concerté vrai seulement si les 2 processus sont synchrones vrai seulement si les deux processus sont de même nature  Si l’hypothèse de départ est valable, il n’y a aucune raison théorique pour que le Principe de Dureté Maximum soit vérifié dans le cas d’un mécanisme concerté asynchrone 08 septembre 2009

Elément en faveur de l’hypothèse Comment valider l’hypothèse de départ ? Rappel : Validité Principe de Dureté Maximum Vrai si :  Montrer que pour un processus primitif, la position de l’état de transition est indépendante du nombre d’électrons dans le système A.K. Chandra et T. Uchimaru, J. Phys. Chem. A, 2001, 105, 3578 08 septembre 2009

Elément en faveur de l’hypothèse Cas de l’ECD de la désamination de la cytosine Le mécanisme concerté semble pouvoir être décomposé en 3 processus primitifs La position des états de transition de ces 3 processus semble indépendante du nombre d’électrons processus 1 Ea ↓lorsque N↑ processus 3 Ea ↑ lorsque N↑ élément en faveur de l’hypothèse Nature électrophile / nucléophile des attaques subies par le substrat 08 septembre 2009

4. Conclusions et perspectives 08 septembre 2009

Conclusions Désamination de la cytosine Proposition d’un mécanisme réactionnel en accord avec les données expérimentales : Type addition-élimination Etape-clé : addition nucléophile d’une molécule d’eau assistée par une seconde molécule d’eau Rationalisation de la différence de réactivité entre la cytosine, la 5-méthylcytosine et la 5,6-dihydrocytosine : L’addition nucléophile assistée est sous contrôle de transfert de charge La méthylation en C5 et la saturation de la double liaison C5-C6, bien que diminuant l’électrophilie globale de la cytosine, augmentent le pouvoir électrophile local du carbone C4 subissant l’attaque nucléophile Pourquoi la 5-méthyl-5,6-dihydrocytosine se désamine-t-elle moins vite que la 5,6-dihydrocytosine ? 08 septembre 2009

Conclusions Mécanismes concertés asynchrones Des particularités dans les profils de réaction peuvent permettre d’identifier un mécanisme concerté asynchrone : épaulement d’énergie potentielle force de réaction avec plus de 2 extrema minimum de dureté ne coïncidant pas avec l’état de transition. L’état de transition d’un mécanisme concerté asynchrone est un état de transition apparent dont la signification physique n’est pas la même que celui d’un processus primitif.  Non respect du Principe de Dureté Maximum L’étude du profil d’énergie potentielle en fonction du nombre d’électrons peut permettre d’identifier le nombre de processus primitifs impliqué dans un mécanisme concerté asynchrone de connaître la nature Nu / E de ces processus A vérifier sur d’autres exemples : cycloadditions avec substituants ? 08 septembre 2009

Conclusion générale et perspectives Au cours de ce travail : utilisation complémentaire de méthodes quantitatives et qualitatives pour obtenir des informations sur des réactions chimiques particulières définition de nouveaux outils conceptuels d’étude de la réactivité chimique Perspectives développer ces nouveaux outils vérifier leur pertinence 08 septembre 2009

Pr. André Grand Dr. Christophe Morell 08 septembre 2009