Etude par spectrométrie de masse de complexes à base de cuivre pour l'oxydation catalysée de composés organiques. – SUPEROXO-MS

La Nature a développé des métalloenzymes responsables de l’oxygénation sélective de substrats organiques par O2 avec des
performances remarquables dans des conditions très douces. Ainsi, l’oxygénase catalyse efficacement un processus oxydant à 2
électrons de substrats organiques à partir du couple Cu(II)-Cu(I). Malgré de nombreuses indications de l’existence d’intermédiaires
réactionnels du type complexes organiques cuivre-superoxo [Cu(II)(O2-·)]+, ces structures sont l’objet de débats et le processus
détaillé de l’oxydation est loin d’être univoque.
De manière similaire, l'oxydation des peptides Amyloid-ß et de certains lipides présents dans les membranes des cellules cérébrales par le système Cu-Abeta/ascorbate/O2 semble être la cause principale du développement de la maladie d'Alzheimer. Pourtant, les contributions respectives de ces composants restent encore assez obscures, avec des résultats contradictoires obtenus par différents groupes de recherche. Ainsi, si les ions cuivre participent au développement du stress oxydant, à concentration plus élevée ils protègent les lipides de l'oxydation. Il apparaît alors que les concentrations relatives du cuivre, d'O2, des peptides Aß ainsi que des lipides ?3 ou ?6 sont tout-à-fait déterminantes pour l'état pathologique du patient.
C’est par la technique des collisions réactives en phase gaz, au sein de spectromètres de masse modifiés par nos soins, couplée à la modélisation
moléculaire que nous comptons étudier en détail ces questions. Après avoir précisé nos conditions expérimentales à l'aide de molécules thermomètres à la fois expérimentalement et pour nos méthodes de modélisation moléculaire (chimie quantique et cinétique réactionnelle hors-équilibre thermique de collisions ions-neutres en phase gaz), nous étudierons donc les propriétés catalytiques sur des substrats organiques/biologiques d'adduits d'ions cuivre par le dioxygène et par des ligands organiques avec une complexité moléculaire du catalyseur maitrisée et modifiée de manière systématique. Il s'agira alors d'identifier les structures d'intermédiaires réactionnels de courtes durées de vie et d'obtenir des informations énergétiques concernant les mécanismes en jeu lors des processus catalytiques.
La combinaison des techniques expérimentales et de modélisation moléculaire nous permettra d'étudier en détail, voire d'élucider, certains des mécanismes en jeu lors de ces réactions. Une analyse plus poussée par chimie quantique, incluant les analyses topologiques et orbitalaires, nous permettra d'identifier plus finement les raisons des modifications dans les propriétés catalytiques des adduits du cuivre. De plus, la modélisation du solvant sur les mécanismes identifiés en phase gaz, nous permettra non seulement de découpler les contributions de réactivité intrinsèque du catalyseur de l'effet du solvant, mais également de comparer nos résultats à son activité catalytique en phase condensée avec des études par spectro-électrochimie.
Les performances catalytiques de structures bio-inspirées à base de cuivre pourront ainsi être évaluées sur divers substrats
organiques d'une part et, d'autre part, certains mécanismes d'oxydation de la maladie d'Alzheimer pourront également étudiés.