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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
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