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Photoréactivité de complexes de ruthénium avec des biomolécules

F. Alary, M. Boggio-Pasqua, J.-L. Heully ; collaboration : P. Vicendo (LIMRCP, Toulouse).

Ce travail s’articule autour d’études à la fois théoriques et expérimentales de la photoréactivité de différents complexes de ruthénium envers l’ADN ou des métalloprotéines. En cherchant à élucider, à un niveau moléculaire détaillé, les interactions mises en jeu entre certains ligands de ces complexes et leurs cibles biologiques, nous aiderons à la conception de nouveaux composés susceptibles d’être plus sélectifs en photothérapie cancéreuse. Aujourd’hui, les méthodes modernes de la chimie quantique permettent une collaboration plus fructueuse entre théoriciens et expérimentateurs. Même si cela reste une tâche ambitieuse, l’interprétation, l’analyse, la compréhension de données expérimentales obtenues par les méthodes modernes de la photochimie, de RPE et de RMN sont à la portée de nos méthodes. Dans un premier temps, par les méthodes DFT, nous allons chercher à déterminer un chemin réactionnel décrivant l’association entre un complexe de ruthénium et une base ou un acide aminé. Il s’agira de comprendre pourquoi certains complexes agissent directement en formant un photoadduit alors que d’autres complexes n’ont aucune action directe. A la suite de ce travail nous passerons à l’étude de l’interaction du complexe avec l’ADN et une protéine. Les méthodes mixtes, alliant mécanique classique et mécanique quantique, dédiées à l’étude des systèmes de très grande taille vont nous permettre de décrire la liaison du complexe sur sa cible biologique et les changements de conformation résultants. Ces changements de conformation sont à l’origine de l’inhibition d’une protéine de détoxification, la superoxyde dismutase (SOD). Cette inhibition provoque la mort des cellules y compris la mort des cellules cancéreuses par apoptose. Lors de cette étude une attention particulière sera portée au phénomène de transfert d’électrons dont l’importance dans toute cette problématique n’est plus à discuter. Les modèles théoriques issus de la théorie de Marcus permettant la description des transferts de charge seront utilisés pour discriminer les différents complexes de ruthénium. Pour finir la mise au point de complexes de ruthénium plus sélectifs pourrait participer à la mise au point de nouveaux protocoles pour la photothérapie dynamique.

Nos premiers résultats concernant la photophysique de complexes en phase gaz ont été obtenus avec la fonctionnelle B3LYP et l’utilisation de la méthode TDDFT, qui nous ont donné entière satisfaction. Nous allons continuer à travailler avec ces outils tant que les observables le permettront.

Nous avons ensuite étendu notre étude à un autre ligand : le 1,4,5,8 tetraazaphénanthrène (tap). Le complexe [Ru(tap)3]2+ est connu pour sa très grande photo-instabilité.

Les perspectives de ces travaux :

- LE SOLVANT . Actuellement tous nos calculs sont en phase gazeuse. Le solvant joue bien évidemment un rôle important dans toutes ces problématiques biologiques et tous nos calculs doivent être reproduits en phase liquide. Pour ce faire nous testerons des modèles de solvant de type continuum (PCM, COSMO) ainsi que des modèles d’eau explicite à l’aide de méthode hybride de type QM/MM. Très récemment des travaux effectués sur le complexe [Ru(bpy)2(dppz)]2+ ont montré que le solvant pouvait changer la nature des transitions impliquées dans la description des états triplets à transfert de charge.

o Avec une base de l’ADN

Les complexes de ruthénium sont très connus pour leur activité nucléasique (ils coupent l’ADN). Mais leur mode d’action est très diversifié. Certains d’entre eux agissent sur l’ADN en provoquant des transferts d’électron qui auront des effets différents : photoclivage ou formation de photoadduits. D’autres complexes n’agissent qu’indirectement et ont besoin de dioxygène pour oxyder la guanine selon une réaction de Diels-Alder. Ce sont les ligands polypyridines qui gouvernent cette différence de réactivité. Le complexe [Ru(bpy)3]2+ a besoin de dioxygène pour interagir avec l’ADN, au contraire le complexe [Ru(bpz)3]2+ agirait directement par formation d’un photoadduit avec une guanine. Un mécanisme et une structure possibles de cet adduit sont présentés ci-dessous.

Le mécanisme est celui proposé par l’équipe de Kirsch-De Mesmaeker pour la formation de l’adduit entre un complexe photoactivé de [Ru(tap)3]2+ et une guanine.

Il nous semble important de comprendre comment se forme l’adduit entre le complexe [Ru(bpz)3]2+ et la guanine avant d’entreprendre l’étude de l’inhibition de la SOD par ce même complexe. Il s’agira ici de discuter de la formation de l’adduit covalent, d’en proposer une structure et d’en déterminer un profil réactionnel de formation. Nous tenterons d’expliquer pourquoi des ligands très courants comme des ligands bipyridine n’ont aucune action directe avec l’ADN. Pour ce faire des calculs des potentiels rédox associés à l’étude des fonctions de Fukui devrait nous permettre de confirmer le rôle clef des réactions à transfert d’électrons dans toute cette problématique. Si nous franchissons cette étape, des calculs TDDFT sur l’adduit nous permettront de discuter de la signature expérimentale observée par spectroscopie UV-visible lors de la formation de ce photoadduit.

o AVEC UN ACIDE AMINÉ

Les résultats expérimentaux originaux obtenus par Patricia Vicendo et son équipe montrent que la SOD humaine interagit avec le complexe de ruthénium par l’intermédiaire du tryptophane situé à la périphérie de l’enzyme. Le mécanisme d’interaction est inconnu. Nous voulons répondre à plusieurs questions : Y a-t-il formation d’un photoadduit, entre le complexe et l’acide aminé comme c’est le cas avec l’ADN ? Pour cette étude nous nous appuierons sur la connaissance de la photoactivité de ces complexes sur les bases de l’ADN.

Pour rationaliser la différence de réactivité des nombreux complexes de ruthénium en fonction de la nature du ligand nous pensons utiliser la théorie de Marcus appliquée aux transferts d’électron entre deux états et calculer le terme de couplage électronique. Ce terme de couplage sera le paramètre de mesure de la réactivité différentielle de ces complexes.

- LA SOD

Le site actif de la SOD, représenté ci-dessous est un cuivre complexé par 4 histidines dont l’une complexe également un atome de zinc.

site actif sod

Cette histidine déprotonée, dans laquelle est délocalisé un électron constitue un pont entre les deux atomes métalliques. Trois histidines achèvent de coordonner l’atome de cuivre, tandis que deux autres, assistées d’une asparagine, complètent la coordination de l’atome de zinc.

Que se passe t-il dans ce site actif ?

L’objectif de cette étude est la compréhension à un niveau atomique détaillé de la réorganisation de la SOD suite à l’action du complexe de ruthénium ainsi que la compréhension de l’action d’un deuxième 3MLCT sur le cuivre enfoui dans la SOD. Or ce canal très étroit chargé positivement ne permet pas au complexe de ruthénium d’atteindre le cuivre, sauf, bien sur, si l’action d’un premier complexe à la surface provoque une forte réorganisation. Comment l’action du complexe à la surface de l’enzyme se propage t-elle jusqu’à l’atome de cuivre ? S’agit-il d’un mécanisme à une étape ? Est-ce par un simple transfert d’électron initié par une réaction d’oxydo-réduction que le complexe de ruthénium inhibe la SOD ? S’agit-il d’un mécanisme à deux étapes comme le suggèrent les résultats expérimentaux obtenus par l’équipe de Patricia Vicendo ?

Cette étude sera réalisée grâce à la méthode QM/MM où une petite partie du système d’intérêt est traitée quantiquement sous la contrainte approximée du reste de l’enzyme et du solvant. Cette petite partie sera progressivement déplacée (le tryptophane ou la tyrosine est loin du cuivre) vers le centre actif de la molécule afin de voir si on peut suivre la réorganisation induite par la formation de l’adduit. Au niveau du site actif nous regarderons comment maintenant un nouveau complexe de ruthénium excité peut interagir avec l’atome de cuivre. Un ligand bipyrazine peut-il modifier la sphère de coordination du cuivre ou bien provoquer l’oxydation d’une histidine du site actif ?

Ces travaux ont fait l’objet de 3 publications :

Inorg. Chem. 2007, 46, 3154 lien

Inorg. Chem. 2008, 47, 5259 lien

Chem. Eur. J. 2009, 15, 2759 lien