Oxydation de ligands thiolates dans des complexes cobalt-soufre : application au cas des nitrile hydratases à cobalt

par Mathieu Rat

Thèse de doctorat en Sciences biologiques

Sous la direction de Isabelle Artaud.

Soutenue en 2002

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    Les Nitrile Hydratases sont des enzymes à fer ou à cobalt qui suscitent un intérêt à différents points de vue. Elles sont au centre de la production industrielle d'acrylamide et constituent un enjeu économique important. De plus, des structures cristallographiques très récentes ont révélé des sites métalliques totalement inédits. La sphère de coordination des centres mononucléaires FeIII ou CoIII est identique pour les deux métaux. Elle comprend deux atomes d'azote peptidiques et trois atomes de soufre à des degrés d'oxydation différents : thiolate, sulfinate et sulfénate. La coordination de cystéines oxydées n'a jamais été décrite pour des protéines et leur présence dans le site actif soulève de nombreuses interrogations. En utilisant une approche biomimétique, nous avons tenté de répondre à quelques questions importantes pour la compréhension du fonctionnement de ces enzymes. Des complexes de CoIII plan carré ont été synthétisés à partir de ligands diamide/dithiol. L'étude de leur réactivité et de leurs propriétés spectroscopiques a montré la forte influence de la forme du chélate équatorial. Les conditions d'oxydation des thiolates coordonnés ont été mises au point: l'oxygénation n'est possible qu'en présence de cyanure ou d'isonitriles. Des complexes hexadentes de CoIII coordonnés par des fonctions amidate, sulfinate ou sulfénate ont été obtenus, reproduisant ainsi le plan moyen des Nitrile Hydratases. Cette étude nous a permis de proposer un mécanisme d'oxydation des thiolates pour les enzymes à cobalt. Nous avons ensuite testé la réactivité d'hydratation des nitriles de certains complexes. Seules les espèces contenant un sulfénate coordonné ou une position de coordination labile possèdent une activité catalytique. Nous avons alors pu également proposer un mécanisme d'hydratation des nitriles faisant intervenir conjointement la nucléophilie d'un sulfénate coordonné et l'activation électrophile du substrat par le métal.


  • Résumé

    Nitrile hydratases are at the center of the industrial production of acrylamide. These bacterial enzymes which catalyze the hydration of nitriles to amides contain either a non-heme iron(III) or a non-corrinoid cobalt(III). The crystal structures has been recently reported. The ligands to the cobalt or iron atom are two peptide amide nitrogens and three sulfurs from cysteines. The two cysteines, in the mean-plane, trans to the amide nitrogens are oxidized to cysteinesulfinic and cysteine-sulfenic acids. The apical ligands are one cysteine thiolate and a water molecule. . A few cobalt NHase mimics containing sulfinates and/or sulfenates have been synthesized. Most of them are six-coordinate cobalt(III) complexes, but none of them have a labile ligand which might be exchanged to H2O or HO. ̄ We have prepared four square planar [(N2S2)Co ̂III] ̄complexes containing, similarly to NHase, two carboxamido nitrogens trans to two thiolates and we describe the conversion of the S-bound thiolates to S-bound sulfinates or sulfenates in the presence of isonitrile. The resulting six-coordinate complexes have two isonitrile ligands tightly ligated to the cobalt center, which can not be exchanged by a water molecule. Only the resulting sulfenate-containing complexes can promote hydration of acetonitrile, which allows us to propose a nucleophilic activity of the coordinated sulfenate. On the other hand, sulfinate-complexes with a labile coordination site present also a hydrolytic activity, when the thiolato related compounds do not react. Thus, we propose a mixed hydrolytic mechanism for the enzymes: the presence of both the ligated sulfenate and the labile coordination site could be required for a good activity.

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Informations

  • Détails : 225 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2002)127
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