Gallois, Nicolas (2008) Etude des mécanismes de pyrolyse en présence d’hydroxyde de tetramethylammonium de composés protéiques modèles. Implication pour la détection de matériel azoté dans la matière organique naturelle et l’identification de macromolécules sources. PhD thesis Chimie Analytique, Labo. de Chimie Bioorganique et Organique Physique - ENSCP, ENSCP p.312.

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Abstract

Despite its implication in many environmental processes, Natural Organic Matter (NOM) is only partially characterised, mainly due to its refractory nature. Amide functions have been revealed by spectroscopic studies, but the molecular structure of the concerned units remains unknown. Pyrolysis coupled to Gas Chromatography and Mass Spectrometry (Py-GC-MS), in the presence of Tetra-Methyl-Ammonium Hydroxyde (TMAH) is considered to be a convenient tool to investigate these structures. For a better understanding of the behaviour of nitrogen-containing structures of NOM upon Py-GC-MS/ TMAH, we used this

technique to analyse the 20 proteic amino acids, 17 dipeptides, 4 polypeptides and a protein, the Bovin Serum Albumin (BSA). This study allowed highlighting the main pyrolysis mechanisms undergone by the amino acids (direct methylation, cyclisation, dimerisation, homolysis, decarboxylation and deamination) and the influence of the peptidic bond on these mechanisms. Py-GC-MS/TMAH of dipeptides and polypeptides pointed to the importance of cyclisation products, mainly diketopiperazines and more complex compounds based on 3 amino acids, and homolysis products for aromatic amino acids. Morever, this study allowed creating a database for the pyrolysis products arising from amino acids and dipeptides. Finally, pyrolysis of mixtures of BSA with the main two macromolecules of the biomass (lignin and cellulose) showed that response factors are unfavourable to the protein.

Table of content

Introduction générale 1

Chapitre 1 : étude bibliographique 5

1 La matière organique naturelle - 9

1.1 Définitions - 9

1.2 Le cycle du carbone - 10

1.3 Les grandes classes des composés de la MON - 13

1.3.1 Les composés de faible masse moléculaire - 13

1.3.1.1 La fraction hydrosoluble - 13

1.3.1.2 Les lipides - 13

1.3.2 Les composés macromoléculaires - 14

1.3.2.1 Les polysaccharides - 15

1.3.2.2 Les macromolécules polyphénoliques - 18

1.3.2.3 La cutine et la subérine - 20

1.3.2.4 Les mélanoïdines - 20

1.3.3 Les substances humiques - 20

1.3.4 Les kérogènes - 21

1.3.4.1 Définition et formation - 21

1.3.4.2 Composition - 23

2 La matière organique naturelle azotée - 25

2.1 Le cycle de l’azote - 25

2.1.1 La répartition de l’azote sur Terre - 25

2.1.2 Les processus du cycle - 26

2.1.3 Les échanges entre compartiments - 29

2.1.3.1 De la terre à l’atmosphère - 29

2.1.3.2 De l’océan à l’atmosphère - 29

2.1.3.3 De la terre à l’océan - 29

2.1.3.4 De l’atmosphère à la surface - 29

2.2 Les composés organiques azotés - 29

2.2.1 Formes biologiques - 30

2.2.1.1 Les protéines et les polypeptides - 30

2.2.1.2 L’ADN et l’ARN - 33

2.2.1.3 Les polymères d’amino-sucres - 33

2.2.1.4 Les porphyrines - 33

2.2.2 Formes abiotiques - 34

3 Dégradation et préservation de la MON - 35

3.1 La dégradation de la matière organique au cours de la diagenèse - 35

3.1.1 Les différents modes de dégradation de la MO - 35

3.1.2 Paramètres d’évaluation de la dégradation de la MON - 36

3.1.3 Les paramètres influençant la dégradation de la MO - 38

3.2 Récalcitrance et préservation - 39

3.2.1 Récalcitrance intrinsèque - 39

3.2.2 Récalcitrance acquise - 40

3.2.3 Préservation assistée - 41

vi

4 MON réfractaire et méthodes analytiques - 43

4.1 Les techniques globales - 43

4.1.1 L’analyse élémentaire - 43

4.1.2 L’infra-rouge - 44

4.1.3 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) - 44

4.1.4 La fluorescence - 45

4.1.5 La spectrométrie de photoélectrons X (XPS) - 45

4.2 Les méthodes de dégradation - 45

4.2.1 Les dégradations chimiques - 46

4.2.2 La pyrolyse - 46

4.2.3 La pyrolyse off-line - 47

4.2.4 La pyrolyse on-line - 48

4.3 La dérivation - 51

Chapitre 2 :

Py-GC-MS of the 20 protein amino acids in the presence of TMAH 53

1 Introduction - 57

2 Results - 59

2.1 Predominance of only one mechanism - 60

2.1.1 Methylation - 60

2.1.2 Cyclisation - 63

2.1.3 Deamination - 65

2.2 Co-occurrence of several major mechanisms - 66

2.2.1 Methylation and decarboxylation - 66

2.2.2 Methylation, decarboxylation and homolysis - 69

2.2.3 Methylation and dimerisation - 74

2.2.4 Methylation and cyclisation - 76

2.3 Co-occurrence of several mechanisms with one prevailing - 77

2.3.1 Predominant methylation - 77

2.3.1.1 Cyclisation - 77

2.3.1.2 Decarboxylation - 83

2.3.1.3 Homolysis - 85

2.3.1.4 Dehydration and dimerisation - 86

2.3.2 Cyclisation dominating dimerisation - 88

2.3.3 Deamination dominating methylation - 89

3 Role of the derivatizing agent - 92

3.1 Role of TMAH - 92

3.2 Methylation versus trimethylsilylation - 93

4 Implications for studies of natural samples - 95

5 Appendix A - 97

6 Supplementary material : mass spectra - 98

Chapitre 3 :

Py-GC-MS de 17 dipeptides en présence de TMAH 103

1. Dipeptides vs. mélanges d’acides aminés - 109

vii

1.1. Pyrolyse de mélanges binaires d’acides aminés - 109

1.2. Pyrolyse des dipeptides correspondants - 115

1.2.1. Pyrolyse de Val-Phe - 117

1.2.2. Pyrolyse de Ala-Tyr - 121

1.2.3. Pyrolyse de Ala-Trp - 125

1.3. Comparaison des pyrolyses de dipeptides et des mélanges - 128

2. La pyrolyse de dipeptides - 129

2.1. Dipeptides aliphatiques - 131

2.1.1. Pyrolyse de Gly-Gly en présence de TMAH - 131

2.1.2. Pyrolyse de Gly-Leu en présence de TMAH - 135

2.2. Dipeptides contenant un acide aromatique - 139

2.2.1. Pyrolyse de Leu-Trp en présence de TMAH - 139

2.3. Dipeptides hydroxylés - 143

2.3.1. Pyrolyse de Thr-Ser en présence de TMAH - 143

2.3.2. Pyrolyse de Gly-Ser en présence de TMAH - 147

2.3.3. Pyrolyse de Val-Thr en présence de TMAH - 153

2.3.4. Pyrolyse de Val-Ser en présence de TMAH - 159

2.3.5. Pyrolyse de Thr-Leu en présence de TMAH - 163

2.4. Dipeptide aromatique hydroxylé - 169

2.4.1. Pyrolyse de Ser-Tyr en présence de TMAH - 169

2.5. Comparaison de dipeptides symétriques - 173

2.5.1. Val-Phe et Phe-Val - 173

2.5.2. Leu-Tyr et Tyr-Leu - 178

2.5.3. Met-Leu et Leu-Met - 184

2.5.4. Conclusions sur la pyrolyse de dipeptides symétriques - 193

3. Discussion des résultats de pyrolyse de dipeptides - 195

3.1. Conclusion sur le rôle de la liaison peptidique - 195

3.1.1. Dipeptide vs. acide aminé individuel - 195

3.1.2. Considérations sur les produits de pyrolyse - 195

3.2. Des diketopiperazines complexes - 196

3.3. Influence de la nature des acides aminés sur les produits de pyrolyse du

dipeptide 198

3.3.1. Les dipeptides aromatiques - 199

3.3.2. Les dipeptides hydroxylés - 199

3.3.3. Les dipeptides aliphatiques - 200

3.4. Discussion en terme de mécanismes - 200

3.4.1. Les mécanismes de pyrolyse sont-ils conservés ? - 200

La formation de diketopiperazines - 202

L’homolyse - 203

La méthylation - 204

La déshydratation - 204

Déamination, décarboxylation - 205

Dimérisation - 205

Rupture de la liaison peptidique - 205

D’autres mécanismes ? - 206

3.4.2. Implications pour l’étude d’échantillons de Matière Organique Naturelle - 206

4. Des hypothèses sur la multiplicité de certains spectres de masse - 207

4.1. Equilibre céto-énolique - 208

4.2. Séparation de stéréoisomères - 209

viii

4.3. Conclusion - 210

5. Un possible biais d’interprétation - 211

5.1. Introduction - 211

5.2. Results and discussion - 213

Chapitre 4 :

Py-GC-MS en présence de TMAH de polypeptides et de macromolécules 217

1. La pyrolyse de polypeptides - 221

1.1. Val-Ala-Ala-Phe - 223

1.2. Arg-Lys-Asp-Val-Tyr - 227

1.3. Phe-Thr-Pro-Arg-Leu-NH2 - 231

1.4. Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg - 235

1.5. Pyrolyse de SAB - 238

1.6. Discussion - 243

2. La pyrolyse de macromolécules - 245

2.1. La lignine - 247

2.2. Mélanges SAB/lignine - 249

2.2.1. Mélange SAB/lignine, 50/50 - 251

2.2.2. Mélange SAB/lignine, 80/20 - 255

2.2.3. Discussion - 255

2.3. La cellulose - 259

2.4. Mélanges SAB/cellulose - 262

2.4.1. Mélange 50/50 - 265

2.4.2. Mélange 80/20 - 269

2.5. Mélange SAB / lignine / cellulose - 273

2.6. Conclusion - 275

Conclusion générale 277

Annexe : matériel et méthode 283

Références bibliographiques 289

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