Theoretical study of the mechanisms of biologically relevant thiol oxidations
Étude théorique des mécanismes d'oxydation de thiols en milieu d'intérêt biologique
Résumé
Since the early 70's, understanding oxidative stress has become one of the main purposes of biochemistry. This imbalance of the intracellular redox equilibrium is implied in so many serious pathologies that it has become crucial to understand its origins and mechanisms, to envisage preventive measures and more effective therapies. We have studied the interactions between thiols (the main actors of antioxidant response) and three important oxidant agents : hydrogen peroxide, and the superoxide and hydroxyl radicals. Despite the important number of studies dedicated to this topic, the mechanisms of reaction were not clearly identified. Thus, we have thought that a theoretical study could provide useful information about these reactions. This could help interpreting experimental data and conceiving new therapies based on the inhibition or catalysis of these reactions. We have used high-level methods of the molecular orbital theory, allowing to reach a "chemical" precision (configuration interaction methods, for example). Since they imply a relatively long CPU time, we have modelized thiols by small molecules such as the methanethiol, and the cysteine residue. The mechanisms of these three oxidations have been identified, and our work has emphasized the high influence of environmental effects (H-bonds and hydrophobicity, among others) on the reaction kinetics.
La compréhension du phénomène de stress oxydant est devenue un des enjeux majeurs de la biochimie, en particulier depuis le début des années 70. Ce déséquilibre de la balance d'oxydoréduction au sein des cellules est impliqué dans un si grand nombre de pathologies graves (dont la plupart des cancers, pour ne citer qu'eux) qu'il est devenu crucial de cerner ses origines et ses mécanismes, pour envisager une prévention et des traitements plus efficaces. Nous nous sommes intéressés aux interactions existant entre les thiols (qui sont les acteurs principaux de la lutte antioxydante) et trois agents oxydants importants : le peroxyde d'hydrogène et les radicaux hydroxyle et superoxyde. Malgré le nombre important d'études dédiées à ce sujet, les mécanismes de ces réactions n'étaient pas clairement identifiés, c'est pourquoi nous avons pensé qu'une étude théorique pourrait apporter des éclaircissements utiles. En effet, la connaissance des mécanismes de réaction permettrait d'une part de faciliter l'interprétation des données expérimentales, et d'autre part d'envisager plus efficacement d'éventuels traitements basés sur l'inhibition ou la catalyse de ces réactions. Nous avons utilisé des méthodes ab initio de chimie quantique permettant d'atteindre une précision "chimique", par exemple la méthode par interaction de configuration quadratique (QCI). Ces techniques impliquent des temps de calcul relativement longs, ce qui nous a incités à modéliser les thiols par de petites molécules comme le méthanethiol et le résidu cystéine. Les mécanismes des trois réactions étudiées ont été identifiés, et nos travaux ont démontré l'importance que peuvent avoir les effets environnementaux (comme la présence de liaisons hydrogène ou la constante diélectrique du milieu) sur les cinétiques de réaction.
Domaines
Biochimie [q-bio.BM]
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