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Université de Strasbourg THESE présentée pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE STRASBOURG par Mamadou LO Vers des modèles génériques d'hémoprotéines : Cas de cytochrome c oxydase Soutenue le 15 Mai 2009 devant la commission d'examen Rapporteur Externe : Dr Jean-Michel Barbe, Directeur de Recherche C.N.R.S à l'Université de Bourgogne Dijon Rapporteur Externe : Dr Guy Royal, Maitre de conférences à l'Université de Grenoble 1 Rapporteur Interne : Dr Jean-Paul Collin, Directeur de Recherche C.N.R.S à l'Université de Strasbourg Examinateur : Pr Petra Hellwig, Professeur à l'Université de Strasbourg Examinateur : Dr Bernard Boitrel, Directeur de Recherche C.N.R.S à l'Université de Rennes 1 Directeur de Thèse : Dr Jean Weiss, Directeur de Recherche C.N.R.S à l'Université de Strasbourg Thèse préparée au laboratoire de Chimie des Ligands à Architecture Contrôlée (CLAC, Institut de Chimie de Strasbourg, UMR 7177)

  • personnel du laboratoire d'électrochimie

  • personnes au laboratoire

  • personnel du service de rpe en particulier

  • personnels des services communs de rmn, de microanalyse, de cristallographie et de spectrométrie de masse


Publié le : vendredi 1 mai 2009
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Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 162
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Université de Strasbourg

THESE

présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE STRASBOURG

par

Mamadou LO

Vers des modèles génériques d’hémoprotéines :
Cas de cytochrome c oxydase

Soutenue le 15 Mai 2009 devant la commission d’examen

Rapporteur Externe : Dr Jean-Michel Barbe, Directeur de Recherche C.N.R.S
à l’Université de Bourgogne Dijon
Rapporteur Externe : Dr Guy Royal, Maitre de conférences à l’Université de
Grenoble 1
Rapporteur Interne : Dr Jean-Paul Collin, Directeur de Recherche C.N.R.S
à l’Université de Strasbourg
Examinateur : Pr Petra Hellwig, Professeur à l’Université de Strasbourg
Examinateur : Dr Bernard Boitrel, Directeur de Recherche C.N.R.S à l’Université
de Rennes 1
Directeur de Thèse : Dr Jean Weiss, Directeur de Recherche C.N.R.S à l’Université de
Strasbourg

Thèse préparée au laboratoire de Chimie des Ligands à Architecture Contrôlée (CLAC, Institut de Chimie de
Strasbourg, UMR 7177)

A mon pays le Sénégal


Je dédie ce travail :


A mes parents
A mes petits frères
A Boudy Lo et famille
A Ousmane Sarr et famille
A la mémoire de Baba Mawdo et Boye Samb


Et à tous mes amis





ii
Remerciements

Le travail présenté dans ce manuscrit a été réalisé au laboratoire de
Chimie des Ligands à Architecture Contrôlée (CLAC) dirigé par le Dr Jean
Weiss.

J’adresse mes vifs remerciements et ma profonde reconnaissance à mon
directeur de thèse le Dr Jean Weiss pour m’avoir accueilli in extrémis dans
son laboratoire et m’avoir initié à la chimie passionnante des porphyrines.
Je retiendrais aussi, durant ces trois années et demi passées dans ton
laboratoire tes qualités scientifiques et humaines (toujours prêt à rendre
service et à aider). Pour la confiance et la liberté de travail que tu m’as
accordée pendant tout ce temps je te dis « Diarrama » (comme on dit
chez moi). Si ça ne dépendait que de moi, il y’aurait probablement plus de
pages de remerciements que de rapport scientifique, merci encore.

Mes remerciements vont aussi aux Docteurs Jean Michel Barbe, Guy
Royal, Jean-Paul Collin, Bernard Boitrel et le Professeurs Petra Hellwig
pour avoir accepté de juger ce travail.

Je remercie tout le personnel du service de RPE en particulier le Docteur
Sylvie Choua et Maxime Bernard pour toutes les mesures RPE et les
discussions scientifiques que nous avons eues ensemble

Je suis reconnaissant à toutes les personnes du laboratoire du Dr Bernard
Boitrel qui ont travaillé avec moi tout au long de ce projet.

Aux personnels des services communs de RMN, de microanalyse, de
cristallographie et de spectrométrie de masse j’adresse aussi mes plus vifs
remerciements.

Un grand merci au Dr Jennifer Wytko pour sa gentillesse et sa
disponibilité, merci à Pauline pour toute son aide, je n’oublierai pas si tôt
ta fameuse phrase « alors Mamadou ça avance », tu vois j’y suis arrivé,
maintenant la balle est dans ton camp et courage pour la suite de ta
thèse. Je n’oublie pas Vivess et tous les autres stagiaires qui sont passés
dans le laboratoire durant toute cette période.

J’ai une pensée sincère aux anciens thésards du laboratoire plus
particulièrement à Greg et Mathieu pour avoir guidé mes premiers pas
dans le laboratoire et pour tous les bons moments passés ensemble. Ainsi
iii
qu’à Fred dont j’ai pris la suite du sujet. Je n’oublie pas le Dr Dinesh
Mahajan mon voisin de paillasse et mon collègue de travail pendant deux
ans.

Mes remerciements vont aussi au Pr Corinne Boudon pour toutes les
études électrochimiques, à tout le personnel du laboratoire
d’électrochimie, Agnès, Christiane à qui je souhaite un bon
rétablissement, David et tous les autres membres de l’équipe.

Mention spéciale à Claude et Ruth, avec vous j’ai partagé de très bons
moments surtout à table, merci pour votre amitié.

Des remerciements tout particuliers à mes parents, à mes petits frères, à
toute la famille du Fouta jusqu’à Dakar en passant par Louga ma ville
natale, à tous mes amis du pays, sans oublier ceux de Grenoble pour leur
soutien, leur présence et les encouragements.

Et à tous ceux que j’ai pu oublier… un grand Merci

Bien sûr, je ne pourrais pas finir sans remercier le Ministère de l’éducation
nationale, de la Recherche et de la technologie Français pour le
financement de cette thèse ainsi que l’ANR pour le soutien du projet
CHEMBLAST.

iv

















Sommaire



















1
Table des matières

TABLE DES MATIERES ....................................................................................................................................... 2
LISTE DES ABREVIATIONS ................................................................................................................................. 5
INTRODUCTION GENERALE .............................................................................................................................. 7
CHAPITRE I : INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE ........................................................................................... 10
I GENERALITES SUR LES HEMOPROTEINES ............................................................................................... 10
II ENZYMES TERMINALES HEME/CUIVRE .................................................................................................. 12
III CYTOCHROME C OXYDASE .................................................................................................................... 13
III.1 UNE BREVE PRESENTATION DE LA STRUCTURE DU SITE ACTIF ............................................................................. 13
III.2 MECANISME DE LA REDUCTION DE L’OXYGENE .............................................................................................. 14
III.2.1 Le transport des électrons ............................................................................................................. 14
III.2.2 Le cycle catalytique ....................................................................................................................... 15
III.3 LES MODELES BIOMIMETIQUES DE LA CYTOCHROME C OXYDASE ........................................................................ 18
III.3.1 Modèles fonctionnels .................................................................................................................... 18
III.3.2 Les modèles structuraux ................................................................................................................ 28
III.3.2.1 Modèles auto-assemblés par un pont oxygène ................................................................................... 29
III.3.2.2 Modèles covalents ............................................................................................................................... 30
III.3.3 Vers des modèles fonctionnels plus avancés ................................................................................. 37
III.3.3.1 Mime de la structure protéique .......................................................................................................... 37
III.3.3.2 Contrôle du flux d’électron .................................................................................................................. 37
CHAPITRE II: VERS DES MODELES GENERIQUES D'HEMOPROTEINES .............................................................. 43
I INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 43
II GENERALITES SUR LES PORPHYRINES .................................................................................................... 44
II.1 STRUCTURE DE BASE ET NOMENCLATURE .......................................................................................................... 44
II.2 GEOMETRIE DU CYCLE ................................................................................................................................... 45
II.3 CARACTERISTIQUES SPECTRALES ...................................................................................................................... 46
II.4 SPECTROSCOPIE RMN DU PROTON ................................................................................................................. 48
III SYNTHESE DE PORPHYRINES A ANSE PHENANTHROLINE MULTIFONCTIONNELLES MODULABLES ......... 49
III.1 LA PORPHYRINE A ANSE PHENANTHROLINE (PORPHEN) ................................................................................... 49
III.2 STRATEGIES SYNTHETIQUES POSSIBLES ......................................................................................................... 51
III.2.1 Greffage de résorcinols fonctionnalisés (stratégie 1) .................................................................... 52
III.2.2 A partir de la méso (2,6-diméthoxyphényl)Porphen (40) (stratégie 2) .......................................... 55
III.2.3 Insertion de fonctions allyles sur le composé 40 ........................................................................... 56
III.2.3.1 Clivage des fonctions éthers de méthyles ........................................................................................... 56
III.2.3.2 L’allylation ........................................................................................................................................... 56
III.2.3.3 Réarrangement de Claisen des fonctions allyles ................................................................................. 57
III.3 CARACTERISATION DES PRODUITS 42 ET 43 .................................................................................................. 58
III.4 INTRODUCTION DE CHAINES GRASSES PAR METATHESE CROISEE ........................................................................ 60
III.5 GREFFAGE DE LA BASE AXIALE ET DU LIGAND AUXILIAIRE .................................................................................. 63
III.5.1 Greffage avec des ligands de type imidazole ................................................................................ 63
III.5.2 Greffage avec des ligands de type pyridine ................................................................................... 65
IV CONCLUSION ......................................................................................................................................... 67
CHAPITRE III : CARACTERISATION DES LIGANDS ET ETUDES PHYSICOCHIMIQUES DES COMPLEXES DE ZINC ET
DE FER ............................................................................................................................................................ 69
I INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 69
II CARACTERISATION RMN DES LIGANDS ................................................................................................. 69
2
III COMPLEXATION DES LIGANDS .............................................................................................................. 74
III.1 COMPLEXATION DU ZINC .......................................................................................................................... 74
III.1.1 Caractérisation à l’état solide de 57Zn .......................................................................................... 75
1
III.1.2 Caractérisation des complexes 57Zn et 60Zn par RMN H ............................................................ 76
III.2 COMPLEXATION AVEC LE FER ..................................................................................................................... 80
III.2.1 Complexation du fer(III) ................................................................................................................. 81
III.2.1.1 Caractérisation par RPE ....................................................................................................................... 82
III.2.1.2 Etude de la coordination distale par des ligands exogènes ................................................................. 85
III.2.1.2.1 Etude UV-Visible ............................................................................................................................. 86
III.2.1.2.2 Etude RPE ....................................................................................................................................... 89
IV CONCLUSION ......................................................................................................................................... 92
CHAPITRE IV : REACTIVITE AVEC LE DIOXYGENE ET ETUDES ELECTROCHIMIQUES DES MODELES DE
CYTOCHROME C OXYDASE ............................................................................................................................. 95
I INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 95
II
II ETUDE DE LA REACTIVITE DU COMPLEXE DE FER(II) [57FE ] AVEC LE DIOXYGENE PAR UV-VISIBLE ........ 95
II.1 LE FER(II) DANS LES PORPHYRINES ................................................................................................................... 95
II.2 LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL.......................................................................................................................... 97
II.3 CONDITIONS OPERATOIRES ............................................................................................................................ 97
III RESULTATS ET DISCUSSIONS ................................................................................................................. 98
III.1 EXPERIENCE TEST .................................................................................................................................... 98
II
III.2 SYNTHESE, CARACTERISATION ET REACTIVITE DU COMPLEXE [57FE ] ............................................................... 101
II
III.2.1 Synthèse du complexe [57Fe ] ..................................................................................................... 101
II
III.2.2 Caractérisation du complexe [57Fe ]........................................................................................... 101
III.2.3 Etude de la labilité du ligand axial .............................................................................................. 102
III.3 GENERATION DU COMPLEXE DE FER(II) EN PRESENCE DE N-METHYLIMIDAZOLE .................................................. 105
III.4 LE COMPLEXE BINUCLEAIRE FER-CUIVRE ..................................................................................................... 106
IV ETUDES ELECTROCHIMIQUES .............................................................................................................. 109
IV.1 A PROPOS DE L’ELECTROCHIMIE DES PORPHYRINES ....................................................................................... 109
IV.1.1 Les porphyrines bases libres ........................................................................................................ 109
IV.1.2 Les métalloporphyrines ............................................................................................................... 109
III
IV.2 COMPORTEMENT ELECTROCHIMIQUE DE [57FE ]CL EN MILIEU ORGANIQUE ..................................................... 110
IV.3 ETUDE ELECTROCATALYTIQUE .................................................................................................................. 112
V CONCLUSION ....................................................................................................................................... 117
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES................................................................................................... 119
PARTIE EXPERIMENTALE .............................................................................................................................. 124
I GENERAL METHODS AND MATERIALS ................................................................................................. 124
II EXPERIMENTAL PROCEDURE SECTION................................................................................................. 124
II.1 PORPHYRIN 42 .......................................................................................................................................... 124
II.2 PORPHYRIN 43 .......................................................................................................................................... 126
II.3 PORPHYRIN 53 .......................................................................................................................................... 126
II.4 3-(3-PYRIDYL)-1-BROMOPROPANE ............................................................................................................... 127
II.5 PORPHYRIN 57 .......................................................................................................................................... 127
II.6 PORPHYRIN 57ZN ...................................................................................................................................... 128
II.7 PORPHYRIN 57FE ...................................................................................................................................... 129
II.8 PORPHYRIN 51 .......................................................................................................................................... 130
II.9 PORPHYRIN 52 .......................................................................................................................................... 130
II.10 PORPHYRIN 60 ..................................................................................................................................... 131
II.11 PORPHYRIN 60ZN ................................................................................................................................. 132
II.12 PORPHYRIN 60FE .................................................................................................................................. 133
3
II.13 2-BROMORESORCINOL ........................................................................................................................... 133
II.14 2-BROMO-1,3-DIALLYLOXYBENZENE ......................................................................................................... 133
II.15 2-BROMO-4,6-DIALLYLRESORCINOL .......................................................................................................... 134
II.16 2-BROMO-4,6-DIALLYL-1,3-DIMETHOXYBENZENE ....................................................................................... 135
II.17 3,5-DIALLYL-2,6-DIMETHOXYPHENYL BORONIC ACID .................................................................................... 135
III ELECTROCHEMICAL STUDIES ............................................................................................................... 136
III.1 CYCLIC VOLTAMMETRY ........................................................................................................................... 136
III.2 ROTATING RING-DISC ELECTRODE (RRDE) EXPERIMENTS ............................................................................. 137
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................. 139
CRISTAL DATA FOR 57ZN .............................................................................................................................. 147
LISTE DES FIGURES ....................................................................................................................................... 154
LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................................... 157

4
LISTE DES ABREVIATIONS


His Histidine
Tyr Tyrosine
ATP Adénosine triphosphate
NADH Nicotinamide adénine dinucléotide hydrogénée
FADH Flavine adénine dinucléotide dihydrigénée 2

DMF N,N-diméthylformamide
THF Tétrahydrofurane

HR-MS High Resolution Mass Spectrometry
ESI Electrospray Ionisation

RMN Résonance Magnétique Nucléaire
RPE Résonance Paramagnétique Electronique
FTIR Fourier Transform InfraRed

s singulet
d doublet
t triplet
m multiplet

TPP Meso tétraphénylporphyrine
Porphen Porphyrine à anse phénanthroline

ImH Imidazole
2-MeImH 2-Méthylimidazole
N-MeIm N-Méthylimidazole
DBU 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry


5















Introduction générale


















6

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