Study of the mechanism of radiation- and photo-induced oxidation of methionine containing peptides

par Marta Ignasiak

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Chantal Houée Levin et de Bronisław Marciniak.

Soutenue le 29-05-2014

à Paris 11 en cotutelle avec l'Uniwersytet imienia Adama Mickiewicza (Poznań, Pologne) , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de chimie physique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Oxydation radio- et photo-induite de peptides contenant la méthionine


  • Résumé

    Plusieurs facteurs conduisent à la génération de radicaux libres oxydants dans les organismes qui endommagent les biomolécules et en particulier les protéines du vivant. L’une des cibles de l’oxydation dans les protéines est la méthionine (Met). Son oxydation provoque des effets très dommageables, comme la maladie d’Alzheimer ou les maladies à prion. Nous avons étudié la réaction des radicaux hydroxyle (•OH) et de l’état triplet de la 3-carboxybenzophénone (3CB*) avec ces peptides. Le but de ce travail était de caractériser les espèces transitoires et les produits stables formés après oxydation radiolytique et photolytique de peptides contenant la Met (les dipeptides contenant de la Met et les pepetides plus longs tels que la bradykinine, une hormone humaine importante impliquée dans la diminution de la pression artérielle). Nous avons utilisé la photolyse éclair laser (LFP) et la radiolyse pulsée (PR) (pour les espèces transitoires de courte durée de vie), tandis que la radiolyse gamma et la photolyse continue (pour obtenir une caractérisation des produits stables). Les modifications structurelles ont été caractérisées par des techniques de HPLC et par couplage de la spectrométrie de masse (MS) et la détection par spectrométrie infrarouge couplée à la MS (IRMPD, CLIO laser à électrons libres). En outre, il nous a paru intéressant d’étudier deux autres dérivés de la benzophénone (BP), l’oxybenzone (OXB) et le sulisobenzone (SB), qui sont largement utilisés dans les produits de protection solaire commerciaux. En effet, l’application d’écrans solaires est controversée car certaines études épidémiologiques ont indiqué un risque accru de mélanome malin pour leurs utilisateurs. L’oxydation de dipeptides contenant Met par les radicaux •OH ou photosensibilisée par la ³(CB)* a conduit à la formation de radicaux cations centrés sur le soufre de la Met (>S•⁺) qui ont été en outre stabilisés par la formation de liaison deux centres à trois électrons (S∴Y)⁺, Y étant un atome possédant un doublet libre, ou qui ont subi une déprotonation donnant les radicaux contrés sur le carbone en α (α-S). L’oxydation des dipeptides par •OH a abouti à la formation de sulfoxyde de Met (MetSO) en tant que produit principal. Sans aucun doute, l’identification et la caractérisation des MetSO en solutions désoxygénées contenant la catalase est une étape importante dans la quête de produits stables. Toutefois, dans certains cas, d’autres produits ont été identifiés. En ce qui concerne, les produits stables de photolyse, ce sont des adduits avec le groupement 3CB, probablement résultant de la réaction de recombinaison radical-radical. Un autre produit formé au cours de la photolyse était 3CB-3CB résultant d’une photo-addition, qui a une structure similaire à celle du produit d’irradiations de la BP. Tous les produits identifiés (MetSO et la photo-adduits) ont été formés à partir des radicaux α-S par l’intermédiaire d’une dismutation ou une réaction avec 3CBH•/3CB•⁻. L’oxydation de la Met-Lys-bradykinine (MKBR) a abouti à la formation de photo-adduits similaires par réaction sensibilisée avec 3CB. L’oxydation induite de MKBR par •OH a abouti à plusieurs produits, en accord avec la non sélectivité des radicaux •OH. L’un des principaux produits est le MetSO et la phénylalanine hydroxylée. Notons que l’arginine n’est pas oxydée. Enfin, la photolyse de SB et OXB a été étudiée à l’aide de photolyse éclair au laser femto-et nanoseconde, ainsi que l’oxydation à un électron de ces molécules par radicaux •OH ont été réalisées en PR. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux d’autres dérivés de la BP. L’état singulet excité subit un quenching à 100 % par transfert de proton intraomléculaire à l’état excité (ESIPT) en milieu aprotique et en milieu non polaire. Dans le cas d’un solvant polaire, la formation de radicaux phénoxyles a été identifiée. La réactivité des filtres solaires UV-excité vers dérivés simples de méthionine est également en cours d’étude.


  • Résumé

    Several factors (radiation, metabolism, pollutants) lead to the generation of oxidizing free radicals in living organisms that damage all biomolecules and especially proteins. One of the protein targets is Methionine (Met). Its oxidation causes highly damaging effects, such as Alzheimer’s or prion disease. The aim of this work was to investigate the transient species and the stable products formed after radiolytic and photolytic oxidation of Met-containing peptides. The reaction of hydroxyl radicals (•OH) and 3-carboxybenzophenone triplet state with Met-residue in peptides was investigated for model compounds (Met-dipeptides) and for longer peptides (e.g. Bradykinin). Laser flash photolysis and pulse radiolysis were used to characterize short-lived transient species, while gamma radiolysis and steady-state photolysis were used for quantitative and qualitative characterization of stable products. The structural modifications induced by oxidation have been characterized by the HPLC coupled with mass spectrometry and Infrared Multi Photon Dissociation Spectroscopy (IRMPD, CLIO Free electron laser). The oxidation of investigated Met-containing compounds by •OH or 3CB* led to the formation of S-centered radical cation >S•+ on Met-residue, that were further stabilized by formation of two-centered three-electron bond (S∴Y)+ or underwent the deprotonation reaction yielding the α-(alkylthio)alkyl radicals (α-S). The oxidation of Met-containing dipeptides by •OH radicals yielded the formation of Met sulfoxide (MetSO) as a main product. Undoubtedly, the identification and characterization of MetSO in deoxygenated solutions containing catalase was a milestone in investigation of stable products. However, in some cases, other products were identified. The stable products of photolysis were adducts with 3-carboxybenzophenone moiety, resulting from radical recombination reaction. Another identified product formed during photolysis was 3CB-3CB benzpinacol photoadduct, which has similar structure to the product of BP irradiations. Identified products (MetSO and the photo-adduct) were formed from the α-S via disproportionation or reaction with 3CBH•/3CBH•⁻. The oxidation of Met-Lys-Bradykinin (MKBR) yielded formation of similar photo-adducts via sensitized reaction with the 3CB*. The •OH induced oxidation of MKBR yielded several products, e.g. the sulfoxide and hydroxylated phenylalanine. In addition, other derivatives of benzophenone (oxybenzone (OXB) and sulisobenzone (SB)) were investigated due. They are widely used in commercial sun-protecting products dp to their unique photophysical properties. However the application of sunscreens awakes controversies because some epidemiological studies indicated an increased risk of malignant melanoma for their users. Photo-instability of sunscreen filters would result in reduced protection and may produce reactive free radicals or mutagens. In addition, the reactions of the sunscreens with oxygen free radicals e.g. hydroxyl radicals are likely to arise and they were not yet sufficiently documented. Finally, the radiolytic and photolytic properties of SB and OXB were investigated using femto-and nanosecond laser flash photolysis. Pulse radiolysis studies of the oxidation of those molecules by •OH radicals were performed. The results obtained for SB and OXB were compared to several other benzophenone derivatives. The results shown the formation of excited singlet state that was deactivated efficiently via the Excited State Intramolecular Proton Transfer (ESIPT). In case of polar solvent, the formation of trace amounts phenoxyl radicals was identified, while for nonpolar media those radicals were not observed. The reactivity of UV-excited sun filters towards simple derivatives of Met was also investigated, however, this topic requires further and more detailed investigations.


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