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Systèmes moléculaires d’intérêt biologique
Une molécule d’intérêt biologique, plus communément appelée biomolécule, est une molécule présente, produite ou transformée au sein d’un organisme vivant. Les biomolécules participent au métabolisme de cet organisme en régulant l’ensemble des réactions chimiques qui permettent son développement et sa survie. Elles sont majoritairement composées d’atomes de carbone (C), d’azote (N), d’oxygène (O), de soufre (S), de phosphore (P) et d’hydrogène (H), et peuvent être présentes sous forme de petites molécules comme l’eau, de macromolécules telles les lipides, les protéines et les acides nucléiques, ou encore d’assemblages de plusieurs molécules. Ces systèmes présentent un intérêt particulier dans le cadre de l’irradiation par rayonnements ionisants. En effet, lors de traitements thérapeutiques, ces biomolécules peuvent subir des dégâts radio-induits, comme par exemple leur destruction et/ou la modification de leurs propriétés physico chimiques, ce qui peut avoir des conséquences directes sur l’activité métabolique et la survie des cellules. Il paraît donc intéressant d’étudier ces molécules d’un point de vue fondamental afin de connaître leurs caractéristiques propres lorsqu’elles sont soumises à des rayonnements ionisants.
Acides nucléiques
Les bases nucléiques, ou bases azotées, sont présentes sous cinq formes différentes, Tout d’abord celles dérivées de la purine : l’adénine et la guanine, et ensuite celles dérivées de la pyrimidine : la cytosine, la thymine et l’uracile. Elles sont les composants élémentaires de l’ADN et de l’ARN.
L’ADN (acide désoxyribonucléique) est un assemblage de deux longues molécules caractérisé par une structure en double hélice, qui contient toute l’information génétique des êtres vivants et dont chaque brin est un polymère de nucléotides. Ces derniers sont, dans le cas de l’ADN, composés d’un groupement phosphate et d’un nucléoside : l’ensemble d’un sucre et d’une des bases nucléiques, liés par une liaison glycosidique. Les bases qui la composent, toutes hormis l’uracile, permettent de lier les deux brins de sa double hélice. Ainsi, l’adénine et la thymine se lient par deux liaisons hydrogènes, et la guanine et la cytosine par trois. L’ARN (acide ribonucléique) intervient quant à elle dans les réactions chimiques propres au métabolisme cellulaire. Les cellules l’utilisent entre autre pour transporter l’information génétique afin de réaliser la traduction, la synthèse des protéines. Mais contrairement à l’ADN, elle est uniquement composée d’un enchaînement linéaire de nucléotides, et plusieurs différences structurelles sont notables : l’uracile remplace la thymine et le sucre du nucléoside est un ribose au lieu d’un désoxyribose.
Acides aminés, peptides et protéines
Les acides aminés sont de petites molécules qui possèdent entre une dizaine et une trentaine d’atomes et qui constituent les protéines. Ils sont composés d’un atome de carbone (noté Cα), d’un groupement amine (NH2) et d’un acide carboxylique (CO2H) organisés selon la structure chimique H2NCα (R)-CO2H, où (R) représente la chaîne latérale propre à chaque acide aminé.
Les protéines sont produites par une polymérisation d’acides aminés. Ces derniers sont liés de manière covalente entre l’acide carboxylique d’un premier et l’amine d’un second, créant ainsi une liaison dite peptidique.
Dans le cas d’un peptide monochargé, les fragments chargés produits dépendent de la localisation de la charge. Ainsi, les fragments a, b et c sont formés si elle est du côté du N-terminal, et à l’inverse les fragments x, y et z sont créés lorsqu’elle est sur le C-terminal. Pour un peptide multichargé, il est possible que les charges soient réparties de chaque côté de la liaison rompue, pouvant ainsi former des couples d’ions complémentaires. Dans le cas où plusieurs liaisons covalentes du squelette sont rompues, des fragments internes peuvent être observés.
La nature et l’activité biologique des protéines au sein d’un organisme vivant dépendent directement de sa constitution (structure primaire), mais également de la structure tridimensionnelle du système (structures secondaire, tertiaire et quaternaire). Cette structure primaire correspond à leur séquence d’acides aminés, sans référence à une configuration spatiale. De plus, dans les cellules, les protéines peuvent subir des transformations post-traductionnelles : ce sont des modifications chimiques, principalement causées par des enzymes, et qui peuvent faire varier leur fonction biologique ainsi que de leurs propriétés physico-chimiques. Nous pouvons par exemple citer le processus d’hydroxylation, qui ajoute un groupement OH sur la chaîne latérale de certains acides aminés, notamment la proline et la lysine.
La plupart de ces protéines possèdent une structure secondaire particulière, et peuvent présenter un repliement local de la chaîne d’acides aminés. Nous pouvons par exemple citer le cas de l’hélice α, structure caractéristique et répandue des protéines, formée par l’enroulement d’une chaîne polypetidique sur elle-même. Il en est de même pour les feuillets β, formés par le repliement de la chaîne en segments parallèles entre eux. Ces structures sont stabilisées par de nombreuses liaisons H intramoléculaires.
Alors que la structure tertiaire décrit les interactions entre structures secondaires, la structure quaternaire caractérise quand à elle les ensembles de plusieurs structures tertiaires. Toutes ces interactions sont non-covalentes.
Interactions non-covalentes
Les systèmes moléculaires comme les protéines ou les peptides peuvent s’agréger: on parle alors de complexes non-covalents. Ils sont liés par des interactions qui se distinguent selon trois catégories : les interactions électrostatiques entre charges, les interactions dipolaires et les liaisons hydrogènes.
Interactions électrostatiques entre charges
Ces interactions ioniques sont les plus fortes des interactions non-covalentes. Elles sont dues à un potentiel coulombien entre deux sites chargés, et dans le cas d’une interaction attractive, l’énergie de la liaison peut être comparable à celle d’une liaison covalente, c’est-à-dire plusieurs eV. Comme l’énergie coulombienne dépend directement de la permittivité du milieu, cette interaction sera beaucoup plus importante dans le vide qu’elle ne l’est en phase condensée, lorsque les molécules sont environnées de solvant. Les liaisons entre peptides impliquent majoritairement leurs groupements C- et N-terminaux, ainsi que les chaînes latérales de certains acides aminés, car ces sites peuvent être porteurs de charges dans le cas de molécules protonées ou déprotonées.
Interactions dipolaires
De manière générale, une molécule ou un groupement qui ne possède pas de charge nette peut également contribuer aux interactions non-covalentes par le biais de son moment dipolaire μ permanent ou induit. Un dipôle peut interagir avec son environnement électrostatique, notamment avec les ions ou d’autres dipôles, et la force de ces interactions dépend directement de la nature du second intervenant.
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Table des matières
1 Introduction
2 Contexte
2.1 Systèmes moléculaires d’intérêt biologique
2.1.1 Acides nucléiques
2.1.2 Acides aminés, peptides et protéines
2.1.3 Interactions non-covalentes
2.2 Techniques expérimentales de contrôle de molécules en phase gazeuse
2.2.1 Mise en phase gazeuse de molécules
2.2.1.1 Source à électronébulisation
2.2.1.2 Désorption laser assistée par matrice
2.2.1.3 Désorption laser de micro-gouttelettes
2.2.2 Sélection et transport d’ions
2.2.2.1 Funnel
2.2.2.2 Multipôles
2.2.3 Piégeage
2.2.3.1 Piège de Paul tridimensionnel
2.2.3.2 Piège linéaire
2.3 Techniques de caractérisation et d’analyse des propriétés physico-chimiques de biomolécules
2.3.1 Spectrométrie de masse
2.3.1.1 Spectromètre de masse à résonance cyclotronique ionique
2.3.1.2 Spectromètre de masse à temps de vol
2.3.2 Spectrométrie de mobilité ionique
2.3.3 Collisions sur gaz neutre
2.3.4 Collisions sur une surface
2.3.5 Collisions hors résonance
2.3.6 Ionisation par impact d’électron
2.3.7 Dissociation par capture d’électron
2.3.8 Dissociation par transfert d’électron
2.3.9 Irradiation par faisceaux de photons
2.3.9.1 Infra rouges
2.3.9.2 Ultraviolet
2.3.9.3 Vacuum Ultraviolet
2.3.9.4 Rayons-X
2.3.10 Irradiation par faisceaux d’ions atomiques
2.4 Le collagène, de la cellule à la phase gazeuse
2.4.1 La protéine de collagène
2.4.2 Peptide de collagène et peptide modèle de triple hélice
3 Caractérisation de la structure de peptides modèles du collagène par spectrométrie de mobilité ionique
3.1 Description du dispositif expérimental
3.2 Espèces produites par la source ESI
3.3 Mobilité ionique et mesures de section efficace de collisions
3.4 Activation par collision sur du gaz
3.5 Conclusion
4 Irradiation d’un modèle de la triple hélice du collagène
4.1 Dispositif expérimental et lignes de faisceaux
4.1.1 Grand Accélérateur National d’Ions Lourds
4.1.2 Synchrotron BESSY II
4.1.3 Spectromètre de masse Paultje
4.2 Étude de peptides modèles de la triple hélice du collagène sous irradiation
4.2.1 Peptides isolés
4.2.1.1 Photo-absorption VUV et X
4.2.1.2 Irradiation par un faisceau d’ions C4+
4.2.2 Modèles de la triple hélice
4.2.2.1 Photo-absorption VUV et RX
4.2.2.2 Irradiation par un faisceau d’ions C4+
4.2.3 Dimères de modèles de la triple hélice
4.2.4 Comparaison de l’énergie interne déposée après irradiations par photons X et C4+
4.3 Conclusion et perspectives
5 Développement du dispositif expérimental PIBALE
5.1 Présentation du dispositif expérimental
5.1.1 Production, sélection et transport des ions moléculaires
5.1.2 Piégeage, extraction et détection
5.1.2.1 Piégeage et formation d’un paquet d’ion
5.1.2.2 Zone d’interaction et caractérisation du paquet d’ions
5.1.3 Faisceau d’ions projectiles
5.1.4 Spectromètre de masse à temps de vol
5.1.5 Cycle d’acquisition
5.2 Développement et optimisation d’un groupeur d’ions
5.2.1 Principe d’un groupeur d’ions
5.2.2 Mise en place des simulations
5.2.3 Comparaison des mesures expérimentales et des simulations
5.2.4 Influence de la charge d’espace sur l’utilisation du groupeur
5.3 Irradiation du peptide Leucine-Enképhaline protoné par un faisceau d’He+ à 7 keV
5.3.1 Présentation du système moléculaire
5.3.2 Analyse des résultats de l’expérience
5.3.3 Mesure et estimation du taux de comptage
5.4 Mise en phase gazeuse et irradiation du peptide modèle de collagène
5.4.1 Étude des conditions de source sur le faisceau de molécules
5.4.2 Irradiation du peptide (PPG)10 doublement protoné par un faisceau d’ions He+
5.4.3 CID des molécules dans le piège de Paul
5.5 Conclusion
6 Conclusion
Bibliographie
