directeur de thèse : pr. andré grand laboratoire lésions des acides nucléiques vanessa labet...
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Directeur de thèse : Pr. André GRAND
Laboratoire Lésions des Acides Nucléiques
Vanessa LABET
Etude théorique de quelques aspects de la réactivité des bases de l’ADNEtude théorique de quelques aspects de la réactivité des bases de l’ADN
Définition de nouveaux outils d’étude de la réactivité chimiqueDéfinition de nouveaux outils d’étude de la réactivité chimique
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 2/4208 septembre 2009
Plan1. Problématique
a. L’ADNb. Les lésions étudiéesc. Cas particulier de la désamination spontanée de la cytosine
2. Outilsa. Surface d’énergie potentielleb. Indices de réactivitéc. Profils de réactiond. Méthodes de calcul
3. Résultatsa. Proposition d’un mécanisme pour la désamination de la cytosineb. Rationalisation des différences de réactivité induites par des modifications
structuralesc. Etude des mécanismes concertés asynchrones
4. Conclusions et perspectives
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 3/4208 septembre 2009
1. Problématique
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 4/4208 septembre 2009
L’ADN5’
3’
3’
5’4’ 1’
2’
adénine guanine thymine cytosine 5-méthylcytosineCopyright © 1983 Scientific American, Inc.
All rights reserved
Bases :
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 5/4208 septembre 2009
Lésions étudiéesDésamination de la cytosine
Dimères de bases pyrimidiques
cytosine uracile
dinucléoside 5’-TT-3’
cyclobutadipyrimidine
pyrimidine (6-4) pyrimidone
(hydrolyse)(photocycloaddition [2+2])
Pontage intrabrin(addition radicalaire)
dinucléoside 5’-GT-3’
G^T
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 6/4208 septembre 2009
Désamination spontanée de la cytosine
10 12,1.10Ck s
M. Ehrlich et al., Bioscience Reports, 1986, 6, 387S. Slae et R. Shapiro, J. Org. Chem., 1978, 43, 1721
T=37°C et pH=7,4
Cytosine(ADN simple brin)
10 12,1.10Ck s
5-méthylcytosine(ADN simple brin)
10 15 9,5.10mCk s
5,6-dihydrocytosine(base libre)
5 16,5.10dhCk s
x 4-5
x 3.105
5
6
Données expérimentales
T. Lindahl et B. Nyberg, Biochemistry, 1974, 13, 3405L.A. Federico et al. Biochemistry, 1990, 29, 2532
A T=37°C et pH=7,4
Simple brin: A pH=7,4
Simple brin
Double brin13 17.10Ck s
A T=80°C et pH=7,4
Simple brin
nucléotide
7 12,6 10Ck s 7 12,2 10Ck s
117 4kJ/molaE
x 300
x 1,2
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 7/4208 septembre 2009
2. Outils
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 8/4208 septembre 2009
Outils
Recherche du mécanisme réactionnel
Exploration de la surface d’énergie potentielle
Rationalisation de la différence de réactivité
Evaluation d’indices de réactivité
Etude plus approfondie du mécanisme
Tracé de profils de réaction
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 9/4208 septembre 2009
Exploration de la surface d’énergie potentielle
Recherche de points stationnaires
Coordonnée interne 1
Coord. Int 2
V
Approximation de Born-Oppenheimer
Surface d’énergie potentielle
Théorie de l’état de transition
expBk T Gk
h RT
Méthodes statiques
Analyse vibrationnelleCalcul de la coordonnée intrinsèque de réaction à partir des états de transitionExtraction des grandeurs thermodynamiques d’activation et de réaction à T, p
V
R
TS
P
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 10/4208 septembre 2009
Les indices de réactivité dits de la DFT conceptuelle
vN
vN
vN
,elecE N v
r
f r 1 , 'r r
2f r , 'r r 2 , ', ''r r r
vN
vN
vN
N
v r
Nv r
N
v r
N
v r
N
v r
N
v r
potentiel chimique densité électronique
dureté chimique fonction de Fukui
hyperdureté descripteur dual
propension du système à attirer les électrons à lui
(électronégativité)
richesse des sites réactionnels en électrons
résistance du système à un transfert d’électrons aptitude d’un site à
recevoir ou céder de la densité électronique
prépondérance du caractère Nu ou E d’un site
Ensemble canoniqueelec noyaux noyauxE V U
noyau de polarisabilité
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 11/4208 septembre 2009
Les indices de réactivité de la DFT conceptuelle
vN
vN
vN
,elecE N v
r
f r 1 , 'r r
2f r , 'r r 2 , ', ''r r r
vN
vN
vN
N
v r
Nv r
N
v r
N
v r
N
v r
N
v r
potentiel chimique densité électronique
dureté chimique fonction de Fukui
hyperdureté descripteur dual
indices globaux
indices locaux
indices non-locaux
réactivité
sélectivité
elec noyaux noyauxE V U Ensemble canonique
noyau de polarisabilité
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 12/4208 septembre 2009
Indices d’électrophilie
2
2
2 3
f r f rs r
2f r 2s r
Global Local
Contrôle électrostatique
Contrôle de transfert de charge
Comparaisonintramoléculaire
Comparaison intermoléculaire
q r
2
2
(Parr et al., 1999)
(Morell et al., 2005) (Ayers et al., 2007)
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 13/4208 septembre 2009
Les profils de réaction V
F
Le profil de force s’annule en R, TS et P
2 extrema permettant de définir les zones de R, TS et P
R TS P
Quantifier la part de l’énergie d’activation qui sert à la réorganisation géométrique, et celle qui sert au transfert électronique proprement dit
Activation : F<0 – Relaxation : F>0
xx
(Toro-Labbé, 1999)Force de réaction
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 14/4208 septembre 2009
Les profils de réactionDureté chimique
R
P
TS
Dureté chimique Résistance
au transfert de charge
Principe de Dureté Maximum (Pearson, 1987)
max à R et P
Corollaire : min à TS
2
2elec
v
E
N
1 1
0 1
2N N Nelec elec elec
excitation
BV HO
E E E
E
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 15/4208 septembre 2009
Méthodes de calcul
Fonctionnelle hybride B3LYP (Becke 1993)
Théorèmes de Hohenberg-Kohn (1964)
elecE
r
DFT : Théorie de la Fonctionnelle de la Densité électronique
Généralisation du principe variationnel
ˆr v r c H C
la plus utilisée
Base de Pople triple- Hydratation : PCM (continuum diélectrique)
6-311G(d,p) =78,39 (eau)
Logiciel : Gaussian 03
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 16/4208 septembre 2009
3. Résultats
Désamination spontanée de la cytosine à pH neutre
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 17/4208 septembre 2009
Mécanisme proposé dans la littératureMécanisme de type SNAr : addition - élimination
N
NH
NHH
O
O
H
H
NH
NH
NH
O
OHH
NH
NH
NH2OH
O
NH
NH
O
O
NH3
videΔH (298K)=215kJ/mol
étape cinétiquement déterminante
B3LYP/6-31G(d)
expΔH (298K)=115±4kJ/mol
Calcul
Expérience
aE =117±4kJ/mol
mécanisme à améliorer
M.H. Almatarneh et al. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8227
aΔH T =E -RT
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 18/4208 septembre 2009
Mécanisme proposéMécanisme de type SNAr : addition - élimination
1. Addition Nucléophile Assistée
2. Protonation
3. Elimination
4. Déprotonation
V. Labet et al., Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 429
mouvementdes
électrons
activation du cycle aromatique
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 19/4208 septembre 2009
Identification de la forme réactive
Forme réactive
ξ
La forme réactive est celle pour laquelle la
force de réaction s’annule
Forme plus stable que la forme réactive
78,39298 ,1 27,1kJ/molK atmG
(éne
rgie
en
kJ/m
ol)
plus tard
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 20/4208 septembre 2009
Diagramme d’énergie
Additio
n Nu
Proton
ation
Elimina
tion
Déprot
onati
on
PCM/B3LYP/6-311G(d,p)
T=298K
L’addition nucléophile constitue l’étape cinétiquement
déterminante (ECD)
videΔH (298K)=121,4kJ/mol
Cohérent avec les données cinétiques
expérimentales :Ea=117±4 kJ/mol
La molécule d’eau assistante permet de diminuer considérablement la barrière d’activation à franchir
vide
eau
ΔG (298K)=142,9kJ/mol
ΔG (298K)=138,5kJ/mol
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 21/4208 septembre 2009
Cytosines modifiéesThéorie de l’Etat de Transition (Eyring) : expBk T G
kh RT
V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 2524
4,4
5,9
28,6
105
2 1 2
1
k G Gln
k RT
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.
Données expérimentales à T=37°C :
5-méthylcytosine
cytosine
4 5k
k
5,6-dihydrocytosine 5
cytosine
3 10k
k
échellelogarithmique
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 22/4208 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
C4q 2C4s
en eV ; en 10-2 eV
V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 2524
Electrophilie
Globale Locale
Contrôleélectrostatique
Contrôle detransfert de charge
C4q 2C4s
2C4sC4q charge ChelpG ; 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.
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 23/4208 septembre 2009
ECD* : des profils de réaction particuliers
• un épaulement avant l’état de transition • 4 extrema de force de réaction
Energie potentielle V Force de réaction F = - dV/dξ
V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 11487
Différents des profils « universels » pour une étape élémentaire
Profils types pour une étape élémentaireProfils ECD désamination
énergie V énergie V
force Fforce F
*ECD : étape cinétiquement déterminante
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 24/4208 septembre 2009
ECD : des profils de réaction particuliers
• minimum de dureté ≠ état de transition
Apparente contradiction avec le Principe de Dureté Maximum
V. Labet et al. J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 11487
Profil type pour une étape élémentaireProfil ECD désamination
• minimum de dureté à l’état de transition
Dureté η Dureté η TS TS
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 25/4208 septembre 2009
Profils particuliers – origine : asynchronicité ?
V. Labet et al., Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 429
distances en Ǻ
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 26/4208 septembre 2009
3. RésultatsLien profils de réaction particuliers Mécanismes concertés asynchrones
Vérification sur un autre exemple
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 27/4208 septembre 2009
Cycloaddition [2+2]
Etat de transition à l’état fondamental :
TS1_TCMécanisme Concerté Asynchrone
C5-N4’ : 1,485Å
C6-C4’ : 2,606Å
DFT/B3LYP/6-31G(d,p) (vide)
thymineà l’extrémité 5’
tautomère imine de la cytosineà l’extrémité 3’
formation d’un cycleazétidine
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 28/4208 septembre 2009
Profils de réactionÉpaulement
d’énergie potentielle
4 extrema de force
Intersection conique avant TS1_TC ?
η min avant TS1_TC
0 1
excitationE
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 29/4208 septembre 2009
3. Résultats
Mécanismes concertés asynchrones : support théorique
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 30/4208 septembre 2009
Problématique
Réaction chimique
Élémentaire (1 seul état de transition)
Par étapes(succession de réactions élémentaires)
Processus primitifProcessus concerté
(plusieurs processus primitifs)
Synchrone Asynchrone
Quel sens physique pour l’état de transitiond’un mécanisme concerté asynchrone ?
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 31/4208 septembre 2009
Modélisation d’un processus primitif
2
TSTS
2
TSTS
exp si
:
exp si
1
R
R
V V
V
V V V VVV
2
TSTSTS
2
TSTSTS
2 exp si
:
2 exp si
1
V
F
VVV
Modèle qui permet de reproduire les profils
« universels » d’énergie potentielle et de force de réaction pour une étape élémentaire
2
VR
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 32/4208 septembre 2009
Cas de 2 processus primitifs
1+2 1 étape élémentaire (mécanisme concerté) 1+2 2 étapes élémentaires successives
1+2 1 étape élémentaire (mécanisme concerté) 1+2 1 étape élémentaire (mécanisme concerté)
2 processus asynchrones : TS1 TS2
profils ≈ profils universels
profils ≠ profils universels profils ≠ profils universels
V 1V 2V F1F 2F= + = +
Energie V Energie V
Energie V Energie V
Force F Force F
Force F Force F
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 33/4208 septembre 2009
Mécanisme concerté asynchrone
Processus 1 en phase de relaxation
Processus 2 en phase d’activation
Energie nécessaire au processus 2 grâce au processus 1
Energie nécessaire au processus 2 sans le processus 1
<
L’asynchronicité des 2 processus primitifs rend le
mécanisme plus facile
2
1 2
1
V F d
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 34/4208 septembre 2009
Cas de 2 processus primitifsEt pour la dureté ?
hypothèse : Le Principe de Dureté Maximum est valable pour les processus primitifs
approximation : approximation harmonique au voisinage de ξTS1 et ξTS2
211 1 TS1 TS1
1
VV ξ V ξ ξ - ξ
22
2 2 TS2 TS22
ΔVV ξ V ξ ξ ξ
21 1 TS1 1 TS1 1η ξ η ξ a ξ ξ ;a 0 22 2 TS2 2 TS2 2η ξ η ξ a ξ ξ ;a 0
2 21 21 2 1 TS1 2 TS2 TS1 TS2
1 2
ΔV ΔVV ξ V ξ V ξ V ξ V ξ ξ ξ ξ ξ
2 2
1 2 1 TS1 2 TS2 1 TS1 2 TS2η ξ η ξ η ξ η ξ η ξ a ξ ξ a ξ ξ
1V TS1ξ 1η TS1ξ 2V TS2ξ2ηTS2ξmax à min à et max à et min à
?
minTS
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 35/4208 septembre 2009
Cas de 2 processus primitifsEt pour la dureté ?
1 2
TS1 TS21 2
TS1 2
1 2
ΔV ΔVξ ξ
dVξ 0 ξ
ΔV ΔVdξ
1 TS1 2 TS2
min1 2
a ξ a ξdηξ 0 ξ
dξ a a
état de transition apparentdu mécanisme concerté
minimum de duretédu mécanisme concerté
1 1 2 2TS min TS1 TS2
1 2
a aξ ξ ξ ξ ou
ΔV ΔV
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
vrai seulement siles 2 processus sont synchrones
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 36/4208 septembre 2009
Elément en faveur de l’hypothèse
1 10 N NTS TS TSF F
Comment valider l’hypothèse de départ ?
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
2
1 12
2N N Nelecelec elec elec
v
EE E E
N
1 1 0N NTS TSF F Vrai si :
Rappel :
Validité Principe de
Dureté Maximum
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 37/4208 septembre 2009
Elément en faveur de l’hypothèse
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
Cas de l’ECD de la désamination de la cytosine
élément en faveur de l’hypothèse
processus 1Ea ↓lorsque N↑
processus 3Ea ↑ lorsque N↑
Nature électrophile / nucléophile des attaques subies par le
substrat
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 38/4208 septembre 2009
4. Conclusions et perspectives
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 39/4208 septembre 2009
ConclusionsDésamination 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 ?
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 40/4208 septembre 2009
ConclusionsMécanismes 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 ?
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 41/4208 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
Vanessa Labet – Soutenance de thèse 42/4208 septembre 2009
Pr. André Grand Dr. Christophe Morell