villetaneuse octobre 2001 quels systèmes dintérêt biologique sont étudiés en phase gazeuse ?...

Villetaneuse Octobre 2001• Quels systèmes d’intérêt biologique sont étudiés

en phase gazeuse ? Quelques exemples

• Etat des lieux:• Méthodes spectroscopiques• Méthodes non spectroscopiques

• Prospective• Quelques propriétés étudier et comment ?

Paire de bases de l’ADN

Systèmes « réels »Systèmes modèle

Complexe avec liaisons Hdans codon/anticodon

Complexe avec liaisons Hdans codon/anticodon

peptides et oligonucleotides hydratés

peptides et oligonucleotides hydratés

« spectrometries universelles  »

Ion mobility, BIRD, H/D, spectrometrie de masse…

« spectrometries universelles  »

Ion mobility, BIRD, H/D, spectrometrie de masse…

Polypeptides, oligonucleotides

Polypeptides, oligonucleotides

Spectroscopies haute resolution, microondes, IR, UV..Spectroscopies haute resolution, microondes, IR, UV..

complexes non-covalent

proteine/proteine, drogue/protein

complexes non-covalent

proteine/proteine, drogue/protein

Petits peptidesPetits peptides

A titre d’exemple de la problématique,

les paires de bases de l’ADN en phase gazeuse

Faut-il considérer les bases isolées, ou bien avec leur sucre, avec les phosphates, avec de l’eau et

des contre-ions…?

Faut-il considérer les bases isolées, ou bien avec leur sucre, avec les phosphates, avec de l’eau et

des contre-ions…?

2 énergies de liaison2 énergies de liaison

1 distances intermoléculaires1 distances intermoléculaires

paires Watson-Crickpaires Watson-Crick

Calculs « phase gazeuse » et mesures de radiocristallographie pour la paire A-T

dans la configuration Watson-Crick W

Calculs « phase gazeuse » et mesures de radiocristallographie pour la paire A-T

dans la configuration Watson-Crick W

JACS 122 4123 (2000)JACS 122 4123 (2000)Liaison N6-04 expérimental 2.93 ÅLiaison N6-04 expérimental 2.93 Å

paire AT isoléepaire AT isolée

 calculs « phase gazeuse » calculs « phase gazeuse »

2.85 Å

paire AT méthylée

2.86 Å 2.85

AT avec desoxyribose

2.85 Å

AT avec désoxyribose et phosphate

AT avec désoxyribose et phosphate

2.87 Å

Le problème vient de l’environnement cristallin,

contre-ions,eau dans les expériences de diffraction X

Le problème vient de l’environnement cristallin,

contre-ions,eau dans les expériences de diffraction X

2.93

La première mesure d’énergie de liaison

des paires A-T et C-G en phase gazeuse 1976

La première mesure d’énergie de liaison

des paires A-T et C-G en phase gazeuse 1976

Sukhodub Nature 264 245 (1976) Chem.Rev. 87 589 (1987)Galetich, Adamowicz J.Phys.Chem.B 103 12211 (1999)

Sukhodub Nature 264 245 (1976) Chem.Rev. 87 589 (1987)Galetich, Adamowicz J.Phys.Chem.B 103 12211 (1999)

Ionisation par champ 107-108 V/cmIonisation par champ 107-108 V/cm

aimant

produitT

G-C E=21 kcal/mol

A-T E=13 kcal/mol

G-C E=21 kcal/mol

A-T E=13 kcal/mol

pas de jet supersonique

pas de laser

pas de jet supersonique

pas de laser

(C-G)+

C-G

(C-G)*

La première mesure spectroscopique portant sur la paire C-G 2000

REMPIREsonant Multiphoton

PhotoIonisation

Pairing of the G-C basesin the absence of the DNA backbone

Pairing of the G-C basesin the absence of the DNA backbone

E.Nir , K.Kleinermanns , M.de Vries

Nature 408 949 (2000)

E.Nir , K.Kleinermanns , M.de Vries

Nature 408 949 (2000)

REMPI spectrum of the GC dimer (WC)REMPI spectrum of the GC dimer (WC)

plusieurs papiers théoriques récents ( ou plutôt résultats de Gaussian) affirment une parfaite concordance entre calculs et la valeur expérimentale de l’énergie (sans s) de liaison de la paire A-T: E=13 kcal/mol

plusieurs papiers théoriques récents ( ou plutôt résultats de Gaussian) affirment une parfaite concordance entre calculs et la valeur expérimentale de l’énergie (sans s) de liaison de la paire A-T: E=13 kcal/mol

-15.58 kcal/mol 35%-15.58 kcal/mol 35% -12.57 kcal/mol 5.6%-12.57 kcal/mol 5.6%

WC -11.92 kcal/mol 1%WC -11.92 kcal/mol 1%

H-bonded structuresH-bonded structures

T-shape 2.6%T-shape 2.6% stacking 2.1%stacking 2.1%

Interaction energies and relative populationsat 300°K of the A-T pair

Interaction energies and relative populationsat 300°K of the A-T pair

Sponer, HobzaJACS 122 3497 (2000)

Sponer, HobzaJACS 122 3497 (2000)

Energies d’interaction et populations relatives des

configurations de la paire A-T à 300°K

La paire AT dans la configuration Watson-Crick peut-elle malgré tout être observée en

phase gazeuse ?

La paire AT dans la configuration Watson-Crick peut-elle malgré tout être observée en

phase gazeuse ?

Black-body Infrared Radiative Dissociation BIRDBlack-body Infrared Radiative Dissociation BIRD

ESI sourceESI source

FT MSFT MS

FT MS ion cell5-100 s T 50-210°C

FT MS ion cell5-100 s T 50-210°C

Courbes d’Arrhenius pour la dissociation d’oligomères AT double brin

Courbes d’Arrhenius pour la dissociation d’oligomères AT double brin

kdisskdiss

1/T °K1/T °K

E

E.R.Williams JACS 120 9605

(1998)

E.R.Williams JACS 120 9605

(1998)L’appariement WC est partiellement

préservé en phase gazeuse

L’appariement WC est partiellement

préservé en phase gazeuse

Simulation de dynamique

moléculaire

Simulation de dynamique

moléculaire

Méthodes spectroscopiquesMéthodes spectroscopiques

Spectroscopie de rotation micro ondeSpectroscopie de rotation micro onde

Une méthode sensible (une faible densité donc une faible température est requise)

Des spectres très riches Une grande précision sur les géométries

La comparaison spectre/calculs permet indirectement de voir la présence de liaisons H

Une méthode sensible (une faible densité donc une faible température est requise)

Des spectres très riches Une grande précision sur les géométries

La comparaison spectre/calculs permet indirectement de voir la présence de liaisons H

0.49

3.26

théorie kcal/mol

1.4 ( . 45)

2.0 ( . 2)

exp

Spectroscopie micro-onde de la glycineSpectroscopie micro-onde de la glycine

GlycineGlycine

Csaszar Prog inBiophysics andMol.Biology71 243 (1999)

Csaszar Prog inBiophysics andMol.Biology71 243 (1999)

Godfrey JACS117 2019 (1995)

Godfrey JACS117 2019 (1995)

3.26

théorie kcal/mol

1.4 ( . 45)

2.0 ( . 2)

exp

La première configuration excitée

La première configuration excitée

Cavity Ringdown Spectroscopy

Mesure directe des fréquences de vibration intermoléculaires

(10 à 350 cm-1 ) grâce à des lasers accordablesdans l’IR lointain. et intramoléculaires

1993 Ar.. H2 O

1997 (H2 O)1-6

1998 zwitterion de l’arginine

Rotational Coherence Spectroscopy RCS

PM Felker J Phys Chem 96 7844 (1992)

PM Felker J Phys Chem 96 7844 (1992)

Excitation picoseconde d’une superposition cohérente d’états rotationnels et observation de récurrences temporelles

Excitation picoseconde d’une superposition cohérente d’états rotationnels et observation de récurrences temporelles

Excitation

polarisée

Excitation

polarisée

Sonde

polarisée

Sonde

polarisée

t=0t=0

Méthodes permettant de séparer les contributions spectrales des différents conformères

Méthodes permettant de séparer les contributions spectrales des différents conformères

L’idée: expulser hors du niveau fondamental chaque conformère tour à tour : le signal correspondant diminue

L’idée: expulser hors du niveau fondamental chaque conformère tour à tour : le signal correspondant diminue

Trois conformèresTrois conformères

Dépopulation infrarougeDépopulation infrarouge

A-B …C A-B + C

A-B …CA-B …C

A-B + CA-B + C

A-B …CA-B …C

(A-B …C)+(A-B …C)+

Excitation d’une liaison intramoléculaire

Excitation d’une liaison intramoléculaire

Dissociation d’une liaison intermoléculaire

Dissociation d’une liaison intermoléculaire