Directeur de thèse : Pr. André GRAND Laboratoire Lésions des Acides Nucléiques Vanessa LABET Etude théorique de quelques aspects de la réactivité des bases

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


1. Problématique


L’ADN5’

3’

3’

5’4’ 1’

2’

adénine guanine thymine cytosine 5-méthylcytosineCopyright © 1983 Scientific American, Inc.

All rights reserved

Bases :


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


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


2. Outils


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


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


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


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


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)


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


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


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


3. Résultats

Désamination spontanée de la cytosine à pH neutre


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


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


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


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


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


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


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.


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


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


ECD : des profils de réaction particuliers

• minimum de dureté ≠ état de transition

Apparente contradiction avec le Principe de Dureté Maximum


Profil type pour une étape élémentaireProfil ECD désamination

• minimum de dureté à l’état de transition

Dureté η Dureté η TS TS


Profils particuliers – origine : asynchronicité ?

V. Labet et al., Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 429

distances en Ǻ


3. RésultatsLien profils de réaction particuliers Mécanismes concertés asynchrones

Vérification sur un autre exemple


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


Profils de réactionÉpaulement

d’énergie potentielle

4 extrema de force

Intersection conique avant TS1_TC ?

η min avant TS1_TC

0 1

excitationE


3. Résultats

Mécanismes concertés asynchrones : support théorique


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 ?


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


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


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


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


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


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


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


4. Conclusions et perspectives


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 ?


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 ?


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


Pr. André Grand Dr. Christophe Morell

Documents

Directeur de thèse : Pr. André GRAND Laboratoire Lésions des Acides Nucléiques Vanessa LABET Etude théorique de quelques aspects de la réactivité des bases