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Thèse Année : 2022

Models of biological molecules probed vibrationnally and electronically in the gas phase

Modèles de molécules biologiques sondés vibrationnellement et électroniquement en phase gazeuse

Résumé

Photo-induced processes are largely involved in the biological world due to the intrinsic properties of the molecules that compose them, like the UV/Vis aromatic chromophores residues of the proteins, the heme of hemoglobin protein or the chlorophylls. The goal of this thesis was in part to document in details the electronic relaxation processes that follow the UV/Vis absorption by these molecules. The interest was focused on the formation of triplet states formation in these systems that are still poorly known despite their major importance. Indeed, the biradical character of the triplet states and their long lifetimes made them efficient intermediate states involved in photochemical deactivation channels, potentially harmful to their biological function. Furthermore, because these properties can be influenced by the molecules conformation, when they are flexible like proteins, the second part of this work was devoted to the structure characterization. The chosen approach, the vibrational or electronic pump-probe spectroscopy in gas phase, aims to obtain detailed spectroscopic information intrinsic to the molecule, allowing an easier comparison with theoretical modelisation, in particular with quantum chemistry. However, a precise control of the system, its conformation and its temperature in gas phase require the study of model molecules, a fraction of the targeted biological molecule, relevant for the studied process, isolating them either in a supersonic expansion or in helium droplets. Three approaches have been investigated. On the structural and thermodynamical sides, the side chain tautomerism of the histidine aminoacid was studied on the 4(5)-methylimidazole molecule. The IR spectroscopy in helium droplets allowed quantifying the molecules' tautomerization thermodynamics. Moreover small peptide chains that contain the phenylalanine residue, used as peptide chain models when probing triplet states, have been characterized in a supersonic expansion by double IR/UV resonance spectroscopy in the spectral domain of the NH stretch modes. These studies have both been supported by quantum chemistry calculations at the DFT-D level. Both triplet state formation and characterization induced by the photo-excitation of peptide chains containing phenylalanine amino acid have been studied in the framework of the protein photo-degradation after UV photo-excitation. Although the phenyl ring is known for its high intersystem crossing quantum yield after the first singlet state excitation, it is still not well know for protein chains. The triplet state formation for a series of model molecules protein chains containing the phenylalanine residue has been probed with a pump-probe method. With the help of quantum chemistry calculation, these studies have shown that the relaxation of the excited phenylalanine that follows the triplet states formation depends on the side chain and of the presence of peptide bonds (-CO-NH-) in its environment. A relaxation schema have been proposed, suggesting the competition between the formation of long lived triplets states ( µs) and at least one alternative channel leading to undetected dark states. Finally, triplet states of two copper porphyrins, heme models, have been detected in pump-probe experiments. Their detection allowed to first uncovering absorption properties of these molecules and then to characterize the relaxation modes leading to the ground state after the absorption of an UV photon.
Les processus photo-induits sont partout présents dans le monde biologique de par les propriétés intrinsèques des molécules qui les constituent, telles que les chromophores UV/Vis des résidus aromatiques des protéines, l’hème dans l’hémoglobine ou bien la chlorophylle. L’objectif de cette thèse a en partie été de documenter en détail les processus de relaxation électronique qui suivent l’absorption de la lumière visible ou UV par ces molécules. L’intérêt s’est porté sur la formation d’états triplets dans ces systèmes, qui restent mal connus malgré leur importance cruciale. En effet, le caractère bi-radicalaire des états triplets et leur longue durée de vie en font des intermédiaires efficaces vers des voies de désexcitation photochimiques, potentiellement dommageables à la fonction biologique de ces molécules. En outre, dans la mesure où ces propriétés peuvent être influencées par la conformation de ces molécules lorsqu’elles sont flexibles, comme les protéines, une autre part du travail a consisté à caractériser ces conformations. L’approche choisie, la spectroscopie pompe-sonde en phase gazeuse vibrationnelle ou électronique, vise à obtenir les informations spectroscopiques détaillées et intrinsèques à la molécule, permettant une comparaison facilitée avec la modélisation théorique, notamment par chimie quantique. Cependant, un contrôle précis du système, de sa conformation et sa température en phase gazeuse nécessite d’étudier des molécules modèles, fragments des molécules biologiques visées, pertinents pour l’étude du processus visé, en les isolant soit dans une détente supersonique, soit dans des gouttelettes d’hélium. Trois actions principales ont ainsi été menées. Du point de vue structurel et thermodynamique, la tautomérie de la chaine latérale de l’acide aminé histidine a été étudiée sur la molécule de 4(5)-méthylimidazole. La spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium a notamment permis de quantifier la thermodynamique de la tautomérisation de ces molécules. Par ailleurs des petites chaînes peptidiques contenant le résidu phénylalanine, utilisées comme modèles de chaines peptidiques dans les études de sonde d'états triplets, ont été caractérisées en détente supersonique par spectroscopie de double résonance IR/UV dans le domaine spectral des élongations NH. Ces études ont toutes deux été appuyées par des calculs de chimie quantique au niveau DFT-D. La formation et la caractérisation d’états triplets issus de la photo-excitation de chaînes peptides contenant l’acide aminé phénylalanine ont été étudiées, dans le cadre de la problématique de la photo-dégradation des protéines après photo-excitation UV. Bien que le cycle phényle soit connu pour son fort rendement quantique de croisement intersystème après excitation du premier état singulet, ce point restait mal connu pour les chaines de protéines. Le passage à l’état triplet pour une série de molécules modèles de chaînes de protéines comportant l’acide aminé phénylalanine a donc été sondé par une méthode de type pompe-sonde nanoseconde, utilisant une sonde par photoionisation à 193 nm. Ces études, en conjonction avec des calculs de chimie quantique, ont montré, qu’après passage à l’état triplet, la relaxation de la phénylalanine excitée dépend notamment de la taille de la chaine latérale et de la présence de liaisons peptidiques (-CO-NH-) dans son environnement. Un schéma de relaxation a été proposé, suggérant la compétition entre formations d’états triplets à longue durée de vie (~µs) et au moins une voie alternative vers des états « noirs » non détectés. Enfin, les états triplets de deux porphyrines de cuivre, modèles de l’hème, ont également été détectés dans des expériences pompe-sonde. La détection de l’état triplet a dans un premier temps permis de remonter aux propriétés d’absorption de ces molécules puis de caractériser les modes de relaxation vers l’état fondamental après absorption d’un photon UV.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03624951 , version 1 (30-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03624951 , version 1

Citer

Floriane Grollau. Modèles de molécules biologiques sondés vibrationnellement et électroniquement en phase gazeuse. Chimie théorique et/ou physique. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPASF013⟩. ⟨tel-03624951⟩
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