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 0.7 10.9

Ni 0.5 4.4

Distribution du fer chez les humains

ProtéinesDegré

d’oxydationQuantités (g)

% total

HémoglobineMyoglobineTransferrineFerritineHemosidérineCatalaseCytochrome cAutres

IIIIIIIIIIIIIIII--

2.60.13

0.0070.520.48

0.0040.0040.14

656

0.213120.10.13.6

Le rôle des métaux dans

les organismes vivants

1) Transfert de charge2) Rôle structural3) Transfert d’électrons4) Catalyseur de réactions

chimiques5) Stockage et transport

1)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

400-500°C

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-physiologiquesmais 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 toxiquesCd : 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 structurauxvs. Modèles fonctionnels

Modèle fonctionnel

Reproduction de la réactivité

Modèle structural

Reproduction de caractéristiques structurales

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

QuickTime™ et undécompresseur Codec YUV420

sont requis pour visionner cette image.

Diffration RX structure 3D

RX incidents

I0, 0

fluorescence

Diffusion

0Absorption I < I

Spectroscopie d’absorption X (SAX)

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 VIIN VIN VN IVN IIIN IIN 1

M VM IVM IIIM IIM I

L IIIL IIL I

K

KK 1K 2

LL 2L 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

2i : facteur Debye-Waller (agitation thermique)

i,j(,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

57Fe

Détecteur

v

Rayons

MOSSBAUER, principe

I = 3/2

I = 1/2

0

Vitesse v

Isomer Shift

3/2

1/2

1/2

0Vitesse v

Quadrupole Splitting

MOSSBAUER, spectre