Modèles de molécules biologiques sondés vibrationnellement et électroniquement en phase gazeuse
Floriane Grollau
Thu, Feb. 24th 2022, 14:00
Bât 774, Amphi Claude Bloch, Orme des Merisiers

Manuscrit de la thèse


Résumé :

Les processus photo-induits sont partout présents dans le monde biologique de par les propriétés intrinsèques des molécules qui les constituent, telles que les chromophores UV/Vis des résidus aromatiques des protéines, l’hème dans l’hémoglobine ou bien la chlorophylle. L’objectif de cette thèse a en partie été de documenter en détail les processus de relaxation électronique qui suivent l’absorption de la lumière visible ou UV par ces molécules. L’intérêt s’est porté sur la formation d’états triplets dans ces systèmes, qui restent mal connus malgré leur importance cruciale. En effet, le caractère bi-radicalaire des états triplets et leur longue durée de vie en font des intermédiaires efficaces vers des voies de désexcitation photochimiques, potentiellement dommageables à la fonction biologique de ces molécules. En outre, dans la mesure où ces propriétés peuvent être influencées par la conformation de ces molécules lorsqu’elles sont flexibles, comme les protéines, une autre part du travail a consisté à caractériser ces conformations.

L’approche choisie, la spectroscopie pompe-sonde en phase gazeuse vibrationnelle ou électronique, vise à obtenir les informations spectroscopiques détaillées et intrinsèques à la molécule, permettant une comparaison facilitée avec la modélisation théorique, notamment par chimie quantique. Cependant, un contrôle précis du système, de sa conformation et sa température en phase gazeuse nécessite d’étudier des molécules modèles, fragments des molécules biologiques visées, pertinents pour l’étude du processus visé, en les isolant soit dans une détente supersonique, soit dans des gouttelettes d’hélium.

Trois actions principales ont ainsi été menées :

  • Du point de vue structurel et thermodynamique, la tautomérie de la chaine latérale de l’acide aminé histidine a été étudiée sur la molécule de 4(5)-méthylimidazole. La spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium a notamment permis de quantifier la thermodynamique de la tautomérisation de ces molécules. Par ailleurs des petites chaînes peptidiques contenant le résidu phénylalanine, utilisées comme modèles de chaines peptidiques dans les études de sonde d'états triplets, ont été caractérisées en détente supersonique par spectroscopie de double résonance IR/UV dans le domaine spectral des élongations NH. Ces études ont toutes deux été appuyées par des calculs de chimie quantique au niveau DFT-D.
  • La formation et la caractérisation d’états triplets issus de la photo-excitation de chaînes peptides contenant l’acide aminé phénylalanine ont été étudiées, dans le cadre de la problématique de la photo-dégradation des protéines après photo-excitation UV. Bien que le cycle phényle soit connu pour son fort rendement quantique de croisement intersystème après excitation du premier état singulet, ce point restait mal connu pour les chaines de protéines. Le passage à l’état triplet pour une série de molécules modèles de chaînes de protéines comportant l’acide aminé phénylalanine a donc été sondé par une méthode de type pompe-sonde nanoseconde, utilisant une sonde par photoionisation à 193 nm. Ces études, en conjonction avec des calculs de chimie quantique, ont montré, qu’après passage à l’état triplet, la relaxation de la phénylalanine excitée dépend notamment de la taille de la chaine latérale et de la présence de liaisons peptidiques (-CO-NH-) dans son environnement. Un schéma de relaxation a été proposé, suggérant la compétition entre formations d’états triplets à longue durée de vie (~µs) et au moins une voie alternative vers des états "noirs" non détectés.
  • Enfin, les états triplets de deux porphyrines de cuivre, modèles de l’hème, ont également été détectés dans des expériences pompe-sonde. La détection de l’état triplet a dans un premier temps permis de remonter aux propriétés d’absorption de ces molécules puis de caractériser les modes de relaxation vers l’état fondamental après absorption d’un photon UV.

Mots clés : Molécules d’intérêt biologique ; Dynamique électronique ; Etat triplet ; Expériences pompe-sonde ; Spectroscopie IR ; Modélisation par chimie quantique.

 


Models of biological molecules probed vibrationnaly and electronically in the gas phase

Photo-induced processes are ubiquitous in the biological world due to the intrinsic properties of the molecules that compose them, like the UV/Vis aromatic chromophores residues of the proteins, the heme of hemoglobin protein or the chlorophylls. The goal of this thesis was partly to document in detail the electronic relaxation processes that follow the UV/Vis absorption by these molecules. The interest was focused on the formation of triplet states in these systems, which is still poorly documented despite a major importance. Indeed, the biradical character of the triplet states and their long lifetimes made them efficient intermediate states in various photochemical deactivation channels, potentially harmful to the biological function of these molecules. Furthermore, because these properties can be influenced by the molecular conformation, in the case of flexible systems like protein chains, the second part of this work was also devoted to structural and conformational characterization.

The chosen approach, the vibrational or electronic pump-probe spectroscopy in the gas phase, aimed to obtain detailed spectroscopic information intrinsic to the molecule, allowing an easier comparison with theoretical modelling, in particular quantum chemistry. However, a precise control of the system in the gas phase, including its conformation and temperature, required to study model molecules, composed of a fraction of the targeted biomolecule, relevant to the studied process, and to isolate them either in a supersonic expansion or in helium droplets.

Three studies were carried out:

  • On the structural and thermodynamical sides, the side chain tautomerism of the histidine aminoacid was studied on the 4(5)-methylimidazole molecule. The IR spectroscopy in helium droplets allowed us to quantify the tautomerization thermodynamics of the molecule. Moreover small peptide chains that contain the phenylalanine residue, used as peptide chain models when probing triplet states, have been characterized in a supersonic expansion by double IR/UV resonance spectroscopy in the spectral domain of the NH stretch modes. These studies were both supported by quantum chemistry calculations at the DFT-D level.
  • The formation and characterization of long-lived triplet states induced by the photo-excitation of peptide chains containing the phenylalanine aminoacid were studied in order to document the issue of photo-degradation of proteins. Although the phenyl ring is known for a high intersystem crossing quantum yield in its first singlet state, this property is still not well know for protein chains. For a series of model molecules protein chains containing the phenylalanine residue, the formation of long-lived (~µs) triplet states was demonstrated in a nanosecond pump-probe experiment, using a photoionization probe at 193 nm. With the help of excited state quantum chemistry calculations, these studies showed that the relaxation of the excited phenylalanine that follows the triplet states formation depends on the presence of peptide bonds (-CO-NH-) in the ring environment, as well as on the on the size of the side chain. A relaxation scheme is proposed, suggesting the competition between the formation of long-lived triplets states detected and of at least one alternative channel leading rapidly to undetected dark states.
  • Finally, triplet states of two copper porphyrins, models of the biological heme, were detected in nanosecond pump-probe experiments. Their detection allowed us first to document the absorption properties of these molecules and then to characterize the relaxation processes, eventually leading to the ground state after the absorption of the UV photon.

Keywords : Molecules of biological interest ; Electronic dynamic ; Triplet state ; Pump-probe experiment ; IR spectroscopy ; Quantum chemistry computation.

Contact : Marc BRIANT


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