Effects of metal complexation on heparin-like disaccharides : a combined experimental and theoretical approach

par Daniel Ortiz Trujillo

Thèse de doctorat en Physique-chimie

Sous la direction de Jean-Yves Salpin.

Le président du jury était Anne Zaparucha.

Le jury était composé de Manuel F. Ruiz-Lopez, Riccardo Spezia.

Les rapporteurs étaient Philippe Dugourd, Mariona Sodupe.

  • Titre traduit

    Effets de la complexation de métaux avec des disaccharides d'héparine : une approche combinant expérience et théorie


  • Résumé

    L'héparine (Hp) est un polysaccharide sulfaté appartenant à la famille des glycosaminoglycanes (GAGs), et est constitué d'unités de répétition disaccharidiques composées d’un acide hexauronique lié par une liaison α1→4 à un résidu hexosamine. La sulfatation de ce polysaccharide peut avoir lieu sur les positions 6-O ou N du glucosamine, mais également sur la position 2-O de l'acide hexauronique. En général, les GAGs sont O-liés aux chaînes latérales des protéoglycanes, et sont associés à un nombre important d'activités physiologiques, généralement reliées à leur interaction avec diverses protéines. Dans certains cas, cette interaction peut-être influencée par la liaison à ces complexes Hp/protéine d'ions métalliques naturels. Ceux-ci influencent l'affinité, la spécificité et la stabilité de ces complexes. En dépit de sa pertinence, le mécanisme par lequel un cation métallique module l'activité de l'héparine au sein des complexes Hp-protéine, reste largement méconnu.Un éventail de stratégies et d'outils ont été développés afin de faciliter la détermination des structures primaires des biomolécules par spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). En effet, la caractérisation structurale de l'héparine sulfatée et de ses complexes métalliques a été soutenue par le développement de techniques de spectrométrie de masse. Dans certains cas, il a été observé que lors de l'activation par dissociation induite par collision (CID), certains de ces isomères d'héparine partageaient à peu près les mêmes schémas de fragmentation, compliquant de ce fait le processus d'identification de ces composés. Néanmoins, des études réalisées au LAMBE ont montré que la réactivité en phase gazeuse des ions métalliques pouvait aider à la différenciation d'isomères saccharidiques. Ces études peuvent être utiles non seulement du point de vue purement analytique, mais également parce que le comportement différent des isomères envers un métal donnée conduit à informations sur le processus d'interaction Hp/Métal mis en jeu. Cela peut s’avérer important pour interpréter les mécanismes biologiques mentionnées auparavant.Dugourd et al ont récemment rapporté les spectres optiques et les motifs de photodissociation de différents oligosaccharides sous irradiation UV. En terme de chemins de fragmentation, il a été observé que les spectres de photodissociation Ultraviolet (UVPD) apparaissaient être plus informatifs que la CID en raison de clivages à travers les cycles supplémentaires, qui fournissent une information sur la position du groupe sulfate. Le spectre optique des disaccharides sulfatés est caractérisé par une bande large et intense centrée vers 240 nm. Suite à ces résultats, nous nous sommes intéressés au couplage de la spectroscopie optique et des calculs théoriques pour les disaccharides d'héparine, et avons employé la spectroscopie UVPD afin d’obtenir des informations complémentaires sur les interactions de ces sucres avec les métaux.Comme décrit auparavant, les processus CID représentent un outil très précieux pour la caractérisation structurale des biomolécules. Motivés par des travaux antérieurs publiés par W. Hase et K. Song, nous avons collaboré avec les groupe de R. Spezia et T. Riera afin de parvenir à une meilleure compréhension du processus MS/MS des sucres et des peptides protonés. Les mécanismes CID de modèles simples, N-Formylalanylamide (HCO-Ala-NH2) et Galactose-6-Sulfate, ont été étudiés par des simulations de dynamique moléculaire QM+MM et des expériences MS/MS. Les objectifs de cette thèse étaient les suivants: i) explorer la possibilité d'utiliser le calcium métallique à des fins analytiques ii) fournir de nouvelles données sur la nature de l’interaction Hp/Ca2+ en utilisant une stratégie multi-approches combinant plusieurs techniques expérimentales et de calculs quantiques iii) étudier le processus CID de différents systèmes par des simulations de dynamique moléculaire.


  • Résumé

    Heparin (Hp) is a sulfated polysaccharide composed of repeating dissacharide units of hexauronic acid linked (α1→4) to an hexosamine residue that belongs to the family of glycosaminoglycans (GAGs). Sulfation can occur at the 6-O and/or N-positions of the gluscosamine, as well as the 2-O position of the hexauronic acid. GAGs usually exist as the O-linked side-chains of proteoglycans, associated with numerous important physiological activities, generally related to their interaction with diverse proteins. In some cases, this interaction can be influenced by the binding of natural metal ions to these Hp/protein complexes. Their role is usually pertained to the affinity, specificity and stability of these complexes. Despite its relevance, the mechanism by which the cation modulates heparin activity in Hp-protein complexes is largely unknown. A range of strategies and tools has been developed to facilitate the determination of primary structures of analyte molecules of interest via tandem mass spectrometry (MS/MS). In fact, structural characterization of heparin sulfated and its metal complexes has been sustained by the development of mass spectrometry techniques. In some cases, it was observed that upon collision-induced dissociation (CID) activation, some of these heparin-like isomers share nearly the same fragmentation patterns, turning the identification process into a complicated step. Nevertheless, a few years ago, our group showed that the gas-phase reactivity of metal ions can shed light into differentiating isomeric saccharides. These studies can be useful for two reasons: just for purely analytical purposes and also because the different behavior of the isomers towards the metal gives information about the Hp/Metal interaction. This might be important to explain the biological considerations mentioned before. Moreover, Dugourd et al recently reported the optical spectra and photodissociation patterns of different Hp oligosaccharides under UV irradiation. In terms of fragmentation pathways, it was observed that Ultraviolet photodissociation (UVPD) spectra appear to be more informative than CID due to additional cross-ring cleavages that provide information about the sulfate group location. Remarkably, the optical spectrum is characterized by an intense broad band centered at 240 nm for sulfated disaccharides. Following these findings, we became interested in coupling optical spectroscopy and theoretical calculations in heparin disaccharides and developing an alternative strategy to characterize these metal interactions. As described before, CID processes are commonly used in several fields and represent a very valuable tool in protein or carbohydrate characterization. Motivated by previous work published by W. Hase and K. Song, we collaborated with R.Spezia and T. Riera’s group in order to achieve a better understanding of the MS/MS process of protonated peptides and sugars. CID mechanisms of simple models, N-Formylalanylamide (HCO-Ala-NH2) and Galactose-6-Sulfate, were studied by QM+MM chemical dynamics simulations and MS/MS experiments.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Informations

  • Détails : 1 vol. (215 p.)
  • Annexes : Notes bibliogr.

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université d'Evry-Val d'Essonne. Service commun de la documentation. Bibliothèque centrale.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 572.5 ORT eff
  • Bibliothèque : Université d'Evry-Val d'Essonne. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.