Réaction CuI-Tyr → CuII-radical Tyr° catalysée par O2 dans les systèmes biologiques: Des preuves spectroscopiques et cinétiques dans des complexes modèles. – CuO2-rad

Le but du projet est de connecter deux domaines de recherche étonnement cloisonnés l'interaction Cu(I)/O2, et la chimie des radicaux phénoxyles. Il apparait évident que ces deux chimies sont étroitement liées dans les systèmes biologiques. En particulier, certaines enzymes utilisent l'entité Cu(I)/ O2 pour générer des modifications post-translationnelles sur leurs propres amino-acides, et des radicaux essentiels à leur fonctionnement. Il a été proposé dans le cas de la Galactose Oxydase (GO) que le lien covalent entre la cystéine et le cofacteur radicalaire tyrosinyle soit initié par fixation du cuivre(I) sur une préforme de l'enzyme (Tyr). En se basant sur les chemins d'activation du dioxygène par des complexes synthétiques de cuivre(I), des mécanismes ont été proposés. La préforme-Cuivre(I) de l'enzyme (CuI/Tyr) réagit avec O2, générant une forme réduite mature (CuI/Tyr-Cys). Elle réagit de nouveau avec O2, de la même façon que lors de son cycle catalytique, pour aboutir à la forme active CuII/ radical Tyr-Cys° et H2O2. Ces études soulignent le rôle crucial de l'interaction cuivre(I) – dioxygène lors de la formation de cofacteurs radicalaires. Ces mécanismes sont cependant très spéculatifs car les intermédiaires proposés n'ont pas été observés (la forme cuivre(I) de l'enzyme est extrêmement réactive vis-à-vis de O2). Pour réaliser des études mécanistiques complètes, il faudrait travailler à de basses températures avec des appareillages de cinétique rapide, ce qui est inconcevable avec des échantillons biologiques. Les complexes modèles sont donc amenés à jouer un rôle essentiel dans la compréhension de ces réactions. Des études biomimétiques ont été réalisées précédemment dans deux contextes : - Interaction Cu(I)/ O2 : La réaction d'O2 avec les complexes de Cu(I) de ligands polypyridyl (et dérivés) est très rapide et les espèces résultantes souvent instables. Un schéma général implique la fixation du dioxygène sur le centre cuivreux pour former un adduit transitoire 1:1 Cu/ O2 (qui ne peut être vu que lors d'études par cryostopped-flow) qui réagit avec un second complexe de Cu(I) pour former un complexe binucléaire 2:1 Cu/ O2 mieux défini (car plus stable). Même si ce schéma décrit de manière adéquate la plupart des processus d'oxygénation, il a été montré que la structure du ligand influençait de manière considérable les mécanismes d'oxygénation. En particulier, un des rares complexes Cu(I)-phénol(ate) reportés (seulement deux études à ce jour) réagit avec O2 pour former un adduit 1:1 Cu/ O2 extrêmement stable. - Complexes Cu(II)/ phénoxyle : Les signatures spectroscopiques, propriétés structurales et réactivité de l'entité Cu(II)/ phénoxyle sont bien connues. A l'heure actuelle, aucune connections entre ces deux domaines de recherche n'a pu être établies, et aucun modèle biomimétique ne reproduit la réaction CuI-phenol(ate) + O2 → CuII-phenoxyl + H2O2. Deux essais ont été rapportés dans la littérature. Des adduits Cu(II)/ O2 ont été mis en évidence, mais aucun radical Cu(II)/ phénoxyle n'a pu être détecté, probablement à cause de l'incapacité des systèmes à gérer les transferts de proton devant accompagner les transferts d'électron. Le but du projet est de caractériser pour la première fois la réaction CuI-phenol(ate) + O2 → CuII-phenoxyl + H2O2, et d'en élucider le mécanisme en utilisant la technique de cryostopped-flow. Trois étapes majeures peuvent être distinguées : - Modèles de la génération du cofacteur radicalaire (à partir de complexes de Cu(I) et d'O2) Des complexes de cuivre(I) de ligands à sous unités phénols seront synthétisés et leur réactivité vis-à-vis de O2 étudiée. L'aspect donneur de H+ du phénol étant la clé pour obtenir des radicaux phénoxyles, les ligands seront dessinés de manière à contrôler efficacement les transferts de proton. - Modèles pour la biogénèse du lien thioéther Tyr-Cys Avec pour but de modéliser la formation du lien thioéther, des ligands non-substitués en position ortho seront synthétisés et leur complexes de cuivre(I) oxygénés en présence de différents substrats. - Réactivité de centres Ni(I) avec O2 Ce domaine de recherche est actuellement peu développé, mais il a été mis en évidence que des complexes Ni/ superoxo et peroxo pouvaient être préparés. Ces résultats présagent d'importantes perspectives de la chimie Ni(I)/ O2. La troisième partie du projet ANR implique la synthèse de complexes de Nickel(I) et l'étude de leur réactivité vis-à-vis de O2. Ce projet est original en chimie bioinorganique car il connecte deux approches biomimétiques indépendantes. Les résultats devraient fournir des fondements sur la réaction CuI-phenol(ate) + O2 → CuII-phenoxyl + H2O2, et par voie de conséquence, sur la génération autocatalytique de cofacteurs qui sont trouvés de manière croissante dans les enzymes, et pour lesquels aucun modèles chimiques n'a encore été développé.