Chaînes peptidiques modèles en détente supersonique : refroidissement conformationnel, structures et dynamique des états excités étudiés par modélisation Monte-Carlo, spectroscopies laser et chimie quantique

Supersonic expansion of model peptides : conformational cooling, structures and excited states dynamics studied by Monte-Carlo methods, laser spectroscopy and quantum chemistry

• Auteur / Autrice : Yohan Loquais
• Direction : Michel Mons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 10/07/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Francis Perrin (Gif sur Yvette) - Laboratoire Francis Perrin
• Jury : Président / Présidente : Anne Zehnacker-Rentien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Mons, Anne Zehnacker-Rentien, Florent Calvo, Gilles Grégoire, Gilles Ohanessian, Rodolphe Antoine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florent Calvo, Gilles Grégoire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie en phase gazeuse

Chimie des états excités

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Spectroscopie résolue en temps

Peptides

Mots clés libres

Peptides

Structures secondaires

Spectroscopie laser

Refroidissement conformationnel

Spectroscopie en phase gazeuse

Dynamique de relaxation

Chimie quantique

Peptides

Secondary structures

Laser spectroscopy

Conformational cooling

Gas phase spectroscopy

Excited state dynamics

Quantum chemistry

Résumé

Cette thèse présente une étude expérimentale et théorique de petites chaines peptidiques modèles en phase gazeuse. Le premier objectif de ce travail consistait à déterminer les conformations préférentiellement adoptées par ces molécules isolées, en vue d’obtenir des informations sur les interactions intra- et inter-moléculaires intervenant dans ces systèmes flexibles. La stratégie expérimentale utilisée associait la vaporisation laser à une détente supersonique et reposait sur la spectroscopie laser de double résonance IR-UV. L’attribution finale des structures a ensuite été réalisée par comparaison des spectres expérimentaux à des spectres issus de calculs de chimie quantique au niveau DFT-D. Dans un deuxième temps, il s’agissait d’étudier la dynamique de relaxation électronique de ces systèmes par spectroscopie pompe-sonde et mesures de fluorescence, et en particulier la dépendance de celle-ci avec la structure secondaire des peptides modèles. La question de la population conformationnelle de molécules flexibles en phase gazeuse est un sujet délicat et bien souvent éludée car les distributions observées expérimentalement résultent d’un passage hors équilibre lors de la détente supersonique, définissant ainsi une température conformationnelle effective. Un modèle statistique a été développé, décrivant le refroidissement et les isomérisations subis durant la détente par une molécule. Les résultats de ces modélisations reproduisent les tendances d’évolution des rapports d’abondances entre conformations observés expérimentalement et permettent de fournir des ordres de grandeurs relatifs aux processus mis en jeu (nombre de collisions efficaces, trajectoire dans la détente après désorption, températures finales) ainsi qu’une meilleure compréhension des processus de refroidissement et de relaxation conformationnelle. Les études conformationnelles ont été appliquées à deux systèmes modèles choisis pour étudier des interactions structurantes intervenant dans les protéines : les interactions protéines-solvant et les interactions hydrophobes. L’étude des complexes (Ac­Phe­NH₂ : H₂O) et (Ac­Phe­NHMe : H₂O) ont permis d’identifier les sites de solvatation préférentiellement occupés par une molécule d’eau et ainsi de proposer des mécanismes de formation des complexes dans la détente supersonique. Le rôle structurant très fort des interactions hydrophobes entre chaînes latérales aromatiques a pu être mis en évidence en étudiant deux peptides modèles contenant un enchainement de plusieurs acides aminés phénylalanine : Ac­Phe­Phe­NH₂ et Ac­Phe­Phe­Phe­NH₂. L’étude des dynamiques de relaxation du premier état excité ππ*, réalisée sur divers peptides modèles, a permis de démontrer la présence d’effets conformationnels importants. Des calculs de chimie quantique (TDDFT et CC2) réalisés sur les systèmes Ac-Phe NH₂ et Ac-Phe NHMe ont montré que cet effet pouvait être expliqué par un transfert d’excitation depuis le cycle aromatique présent sur la chaîne latérale vers les liaisons peptidiques de la chaine principale. Enfin, l’ajout d’une molécule d’eau sur le peptide Ac-Phe NH₂ semble ouvrir de nouvelles voies ultrarapides de relaxation non-radiative.

The very good spectral resolution of laser spectroscopy achieved in the gas phase is a powerful tool to study the folding properties and the hydrogen bonding network of flexible molecules such as small peptide chains. The experimental strategy used in this work to determine the structural properties of these systems is based on IR-UV double resonance spectroscopy and combines laser vaporisation with a supersonic expansion. The final assignment then requires a comparison between experimental spectra and DFT-D calculations. The conformational selectivity brought by gas phase laser spectroscopy also makes it possible to study the dependence of the dynamics of relaxation of electronic excited states of model peptides with their secondary structure by using pump-probe methods or fluorescence detection. The issue of the conformational population of flexible molecules cooled in a supersonic expansion is a difficult issue, often disregarded due to the nonequilibrium processes that control the distributions experimentally observed. A statistical model was developed in order to describe this collisional cooling and the isomerizations experienced by one molecule during the expansion. These calculations were consistent with the experimental trends in the population ratios between conformations, they have provided orders of magnitude for the different processes involved (number of collision, trajectory in the expansion after desorption, final temperatures) and a better understanding of the cooling processes and the conformational relaxation. The conformational studies have been applied to two model systems selected to investigate structural interactions involved in proteins: protein-solvent interactions and hydrophobic interactions. The microhydrated protected phenylalanines (Ac­Phe­NH₂ : H₂O) and (Ac­Phe­NHMe : H₂O) were used to locate the solvation sites preferentially occupied by a water molecule, which then helped to propose a mechanism for the formation of hydrates in the supersonic expansion. The strong structuring properties of hydrophobic interactions between aromatic side chains has been revealed by studying two model peptides containing a sequence of phenylalanine amino acids: Ac­Phe­Phe­NH₂ and Ac­Phe­Phe­Phe­NH₂. A comparative study of the relaxation dynamics of the first ππ* excited state performed on various model peptides has demonstrated the existence of a strong conformational effect. TDDFT and CC2 calculations carried out on the protected phenylalanines have shown that this effect could be explained by an excitation transfer from the aromatic ring of a side chain toward a peptide bond of the backbone. Finally, adding a water molecule to the protected phenylalanine is also found to open new ultrafast channels of nonradiative deactivation.