II.b La chimie des modèles, applications à l’étude des métalloprotéines

II.b1 Les métaux dans les organismes vivants

Tableau périodique

Concentrations des principaux métaux dans l’eau de mer et le plasma humain Eléments Eau de mer (108 M) Plasma humain (108 M) Fe 0.005-2 2230 Zn 8.0 1720 Cu 1.0 1650 Mo 10.0 1000 Co 0.7 0.0025 Cr 0.4 5.5 V 4.0 17.7 Mn 10.9 Ni 0.5 4.4

Distribution du fer chez les humains Protéines Degré d’oxydation Quantités (g) % total Hémoglobine Myoglobine Transferrine Ferritine Hemosidérine Catalase Cytochrome c Autres II III - 2.6 0.13 0.007 0.52 0.48 0.004 0.14 65 6 0.2 13 12 0.1 3.6

Le rôle des métaux dans les organismes vivants Transfert de charge Rôle structural Transfert d’électrons Catalyseur de réactions chimiques Stockage et transport

Transfert de charge — Canal à potassium — Crystal structure of S. lividans K-channel (Doyle, D. et al , 1998)

2) Rôle structural — Protéines à doigts de Zn (Zn-finger) —

3) Transfert d’électron — Photosynthèse —

4) Catalyseur de réactions chimiques Nitrogénase (N2 + 6e- + 6H+  2NH3)

Nitrogénase, site actif

Procédé Haber-Bosch N2 + 3H2  2NH3 200 atm. Cat. Fe

4) Catalyseur de réactions chimiques — Hydrogénases ([FeFe] et [NiFe]) —

5) Transport et stockage — Hémoglobine —

5) Transport et stockage — myoglobine —

Métaux non-physiologiques mais utilisés en santé humaine Li(I) : utilisé pour calmer la schizophrénie Pt(II) : anticancéreux (cis-platine) Au : anti-inflammatoire (rhumatisme) Cr(III) : lutte contre le diabète

Le cis-platine, un anticancéreux

Métaux non-physiologiques et toxiques Cd : néphrologies (maladies des reins), insuffisance rénale; agent cancérigène (poumons) Hg : néphrologies (maladies des reins), nerveux central et périphérique (tremblements, troubles de la personnalité et des performances psychomotrices, encéphalopathie), effet tératogène As : effets neurologiques, hématologiques et atteintes du système cardio-vasculaire. Pb : troubles neurologiques, hématologiques et rénaux. Chez l’enfant, troubles du développement cérébral avec des perturbations psychologiques et difficultés d’apprentissage scolaire Cr(VI) : cancérigène

Toxicité du Cr(VI)

Modèles structuraux vs. Modèles fonctionnels Modèle structural Reproduction de caractéristiques structurales Modèle fonctionnel Reproduction de la réactivité

Méthodes spectroscopiques Diffraction des rayons X Absorption des rayons X (XAS) Méthodes de résonance magnétrique (RPE, RMN) Spectroscopie Mössbauer Spectroscopies électronique et vibrationnelle Etude du magnétisme

Diffraction des rayons X Les rayons X ont un longueur d’onde de 1 Å Même ordre de grandeur qu’un distance interatomique Adaptée à l’étude des structures moléculaires

Diffraction des rayons X

Diffractomètre

Diffraction des rayons X la résolution

Diffration RX  structure 3D

Spectroscopie d’absorption X (SAX) RX incidents I , l fluorescence Diffusion Absorption I < I Absorption : si E photon X suffisante : éjection d’un électron de cœur (photo électron) => transition d’un électron de couche K, L, M… vers le niveau vide avec émission d’une raie d’absorption (discontinuité d’absorption) N VIII N VII N VI N V N IV N III N II N 1 M V M IV M III M II M I L III L II L I K K b 1 K a1 K a2 L a1 L b 2 L g 1 noyau Utilisation d’un rayonnement blanc et de grande énergie : synchrotron

Si atome isolé, absorption décroissante et monotone Si plusieurs éléments, apparition d’oscillations (EXAFS : extended X-ray absorption fine structure) L’onde photoélectronique émise par l’atome cible va exciter les atomes voisiæns qui lui renvoient des ondes rétrodiffusées : l’atome cible est à la fois émetteur et récepteur

Signal d’absorption X vs. E Préseuil : énergie insuffisante pour exciter l’atome cible Seuil : éjection du photoélectron et apparition d’un système d’interférences Après seuil : système d ’interférences et décroissance d’absorption XANES et NEXAFS : informations sur le degré d’oxydation et symétries de géométrie de l’atome cible EXAFS : nature et distance des atomes de 1ere , 2eme (et 3eme?) couche autour de l ’atome cible

Passage de l’espace des énergies (eV) à l’espace déterminé par le vecteur d’onde k : accès aux paramètres structuraux

Exemple de paramètres accessibles K : vecteur d ’onde Ni : nombre de voisins de type i, à la distance Ri s2i : facteur Debye-Waller (agitation thermique) Fi,j(p,k) : déphasage entre diffuseur et rétrodiffuseur etc... Module de la transformée de Fourier du signal EXAFS

Spectroscopie d’absorption X = Synchroton

RPE

MOSSBAUER, principe Source 57Co 57Fe Echantillon Détecteur v Rayons g

MOSSBAUER, principe  3/2  1/2 I = 3/2 I = 1/2 d Isomer Shift D d Vitesse v Isomer Shift  3/2  1/2 D Quadrupole Splitting

MOSSBAUER, spectre