Kapota, Catherine (2005) Interactions of sodium cation with molecules of biological interest: amino acids and oligopeptides. PhD thesis DCMR, EP - DCMR Laboratoire des Mécanismes Réactionnels, EP/X p.196.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/kapota.pdf

Abstract

There exists, today, many and effective methods of three-dimensional structural characterization of biological compounds in the condensed phase (NMR, X-ray diffraction or circular dichroism). In the last ten years, this field has extended to the gas phase. This work falls in this context and considers the structuring role of Na+ on the !
amino acids Gly and Pro and on oligo-peptides of Gly and Ala, !
by combi ning theoretical calculations and infra-red spectroscopy of gaseous ions by multiphoton dissociation (IRMPD), coupled to mass spectrometry.
Experimental IRMPD spectra of the sodiated amino acid complexes, enabled us to identify the exclusive presence of the zwitterionic form in the case of Pro-Na+ and the presence of the non-zwitterionic form in the case of Gly-Na+, in accordance with quantum chemical results. Thus we provided the first direct demonstration of the presence of a zwitterion of an amino acid in gas phase. These were the first infra-red spectra of biological ions in the gas phase.
The theoretical study of the Glyn-Na+ and Alan-Na+ complexes showed that for n<=5, the lower energy conformers maximize the electrostatic interaction of the metal ion with the n carbonyl groups, with or without the terminal amine. This behavior was confirmed on the one hand by IRMPD spectroscopy for n=2,3 and on the other hand by the determination of the binding energies of these complexes, by the Cooks kinetic method (n=2-4). For the theoretical study of Glyn-Na+, 5<=n<=10, we coupled Monte-Carlo conformational searches using the AMBER force field, to geometry optimizations using the ri-BLYP density functional, using the approximation of the "resolution of the identity". This approach made it possible to explore in detail very complex potential surfaces. We can distinguish two limiting conformer classes, one in which the peptide is globular and another where it adopts an alpha or 310 helical conformation. We showed!
that the lowest energy structures generally display a tetradentate complexation with a strong auto-solvation. All of these structures are globular for n<10. In the case of Gly10-Na+, the most stable conformer has a globular structure around sodium plus five 310-helical residues

Table of content

CHAPITRE I: INTRODUCTION GENERALE
Introduction - 1
I. Eléments de description structurale des peptides - 2
I.A. Acides Aminés (AA) - 2
I.B. Peptides - 2
I.B.1. Rappel: structure des peptides et des protéines - 2
I.B.2. Le problème conformationnel - 4
I.B.3. Structures des peptides - 7
II.Le cation Na+ en biochimie - 8
II.A. Na+, élément essentiel pour les êtres vivants - 8
II.A.1. Rôle fonctionnel du sodium: canaux à sodium - 8
II.A.2. Rôle structurant du sodium - 9
II.B. Na+, élément souvent rencontré en biochimie en phase gazeuse - 10
III. Chimie en phase gazeuse - 11
III.A. Méthodes de spectrométrie de masse - 11
III.B. Intérêt de la chimie en phase gazeuse - 12
III.B.1. Propriétés intrinsèques - 12
III.B.2. Conformation d’un peptide au sein d’une protéine - 13
III.B.3. La micro-solvatation - 13
III.C. Méthodes de chimie théorique - 15
III.D. Conclusions - 15
IV. Notre étude - 15
Bibliographie - 17
CHAPITRE II: PRINCIPES EXPERIMENTAUX DE CARACTERISATION STRUCTURALE DE PETITS IONS BIOLOGIQUES EN PHASE GAZEUSE
Introduction - 20
I. Résumé des développements expérimentaux actuels - 21
I.A. Echange H/D - 21
I.A.1. Principe - 21
I.A.2. Un exemple d’échange H/D en solution - 22
I.A.3. Quelques résultats d’échange H/D en phase gazeuse - 23
I.A.4.Conclusions - 24
I.B. Technique de mobilité ionique - 24
I.B.1. Principe - 24
I.B.2. Application aux cas d’oligomères d’acides aminés - 25
I.C. Techniques de détermination d’énergie de liaison - 26
I.C.1. La méthode d’équilibre - 26
I.C.2. La méthode cinétique de Cooks - 27
I.C.3. Autre exemple: dissociation par radiation infrarouge du corps noir (Blackbody Infrared Radiative Dissociation: BIRD) - 29
I.C.4. Mesure d’énergie au seuil de dissociation: méthode TCID - 31
I.D. Conclusion - 32
II. Etude structurale par spectroscopie infrarouge en phase gazeuse - 32
II.A. Introduction: spectres IR de molécules biologiques - 32
II.B. Spectres IR de neutres en matrice inerte - 33
II.C. Spectres IR de neutres en phase gazeuse - 34
II.D. Spectres IR d’ions en phase gazeuse - 34
II.D.1. Introduction - 34
II.D.2. Principe de l’IRMPD - 35
II.D.3. Tracé d’un spectre IRMPD - 37
II.D.4. Interprétation d’un spectre IRMPD: comparaisons aux spectres IR théoriques - 38
II.D.5. Quelques résultats - 39
II.D.6. Conclusion - 40
Bibliographie - 41
CHAPITRE III: METHODES EXPERIMENTALES ET THEORIQUES
Introduction - 45
I. Le Laser à électrons libres CLIO - 46
I.A. Introduction - 46
I.B. Principe du LEL - 46
I.C. Structure temporelle du LEL - 47
I.D. Principales caractéristiques du LEL CLIO - 48
II. Le spectromètre de masse MICRA - 48
II.A. Introduction - 48
II.B. Bref rappel sur la spectrométrie de masse FT-ICR - 48
II.B.1. Mouvement cyclotron - 48
II.B.2. Principe de la FTICR - 49
II.B.3. Optimisation de la détection et résolution - 51
II.B.4. Cellules - 52
II.C. Originalités du montage MICRA en 2002 - 52
II.C.1. Montage expérimental - 52
II.C.2. Formation des ions et introduction des espèces neutres - 53
II.D. Développement apporté lors de ces travaux - 54
II.D.1. Introduction - 54
II.D.2. Aménagement de MICRA: le MALDI - 54
II.D.3. Les échantillons MALDI - 55
III. Méthodes théoriques - 59
III.A. Introduction - 59
III.A.1. Introduction - 59
III.A.2. Stratégies selon la taille et la nature des systèmes - 60
III.B. Le champ de force AMBER - 60
III.B.1. Les champs de forces - 60
III.B.2. AMBER - 61
III.C. Méthodes de chimie quantique - 62
III.C.1. Introduction - 62
III.C.2. Méthodes Hartree-Fock (HF) et post-Hartree-Fock - 63
III.C.3. Méthodes de la DFT - 64
III.D. La méthode ri-BLYP: principe et calibration - 65
III.D.1. Principe de l’approximation ri - 66
III.D.2. Calibration de ri-BLYP pour le calcul d’énergies - 67
III.D.3. Calibration de ri-BLYP pour le calcul des géométries - 69
III.D.4. Calibration de ri-BLYP pour le calcul de fréquences de vibration - 70
III.D.5. Conclusion - 71
Bibliographie - 73
CHAPITRE IV: ROLE STRUCTURANT DE Na+ SUR LES ACIDES AMINES GLYCINE ET PROLINE
I. Introduction - 75
I.A. Structures des acides aminés isolés - 75
I.A.1. Acides aminés isolés en solution aqueuse - 75
I.A.2. Acides aminés isolés en phase gazeuse - 75
I.B. Stabilisation du zwitterion en phase gazeuse - 78
I.B.1. Microsolvatation - 78
I.B.2. Complexation par un alcalin - 78
I.B.3. Cas de Gly-Na+ - 79
I.B.4. Cas de Pro-Na+ - 80
I.C. Conclusion - 81
II. Spectroscopie infrarouge des complexes Gly-Na+ et Pro-Na+ - 81
II.A. Résumé - 81
II.B. Article - 82
Bibliographie - 90
CHAPITRE V: ROLE STRUCTURANT DE Na+ SUR DES PETITS PEPTIDES: DU DI- AU TETRA-PEPTIDE
Introduction - 94
I. Structure des complexes Na+-Glyn et Na+-Alan (n<=4) - 95
I.A. Conformères des complexes Glyn-Na+ et Alan-Na+ (n<5) - 95
I.A.1. Gly2-Na+ et Ala2-Na+ - 95
I.A.2. Gly3-Na+ et Ala3-Na+ - 98
I.A.3. Gly4-Na+ et Ala4-Na+ - 102
I.A.4. Conclusion - 106
I.B. Spectres IRMPD - 106
I.B.1. Echantillons MALDI - 107
I.B.2. Spectroscopie IRMPD de Ala2-Na+ et Gly2-Na+ - 107
I.B.3. Spectroscopie IRMPD de Gly3-Na+ et Ala3-Na+ - 112
I.B.4. Conclusion - 119
II. Energies de liaison peptide-Na+ - 120
II.A. Echelle expérimentale d’affinités de peptides pour le sodium - 120
II.B. Détermination théorique d’affinités de peptides pour le sodium - 122
II.B.1. Rappel sur la détermination d’énergie de liaison - 122
II.B.2. Conformères de plus basse énergie de Gly2 et Ala2 - 122
II.B.3. Conformères de plus basse énergie de Gly3 et Ala3 - 123
II.B.4. Conformères de plus basse énergie de Gly4 et Ala4 - 125
II.C. Comparaison expériences-théorie - 129
III. Cas des tautomères GlyHis et HisGly sodiés et isolés - 131
III.A. Résumé - 131
III.B. Article - 131
Bibliographie - 159
CHAPITRE VI: ROLE STRUCTURANT DE Na+ SUR LES HOMO-PEPTIDES Glyn-Na+, 5≤n≤10
Introduction - 161
I. Propension à former des hélices alpha - 162
I.A. Propension à former des hélices alpha - 162
I.A.1. Selon la nature des acides aminés - 162
I.A.2. Augmenter la propension à former des hélices alpha - 163
I.B. Etudes de peptides dérivés de Alan par l’équipe de M. Jarrold - 164
I.C. Notre étude - 165
II. Les différentes structures en hélices envisagées - 165
II.A. Géométries - 165
II.B. Energies - 166
III. Les différentes structures globulaires - 169
III.A. Tendances énergétiques générales - 169
III.B. Géométries - 170
III.B.1. Descripteurs - 170
III.B.2. Géométrie des structures les plus basses en énergie - 171
III.B.3. Coordination au métal - 183
III.B.4. Liaisons hydrogène - 184
III.B.5. Conclusion - 184
III.C. Energies relatives des conformères globulaires - 185
IV. Conclusion et perspectives - 187
V. Annexe 1: Calibration des méthodes de chimie quantique sur Gly6-Na+ - 188
V.A. Méthodes et Bases de calculs employés - 188
V.B. Energies - 189
V.B.1. Influence de la base - 189
V.B.2. Influence de la méthode - 190
Bibliographie - 192
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES - 194

Statistiques de consultation

Repository Staff Only: edit this item