Modélisation théorique de la dissociation induite par collision en phase gazeuse de biomolécules

par Veronica Macaluso

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Riccardo Spezia.

Le président du jury était Jean-Yves Salpin.

Le jury était composé de Riccardo Spezia, Jean-Yves Salpin, Valérie Gabelica, Anne Boutin, Debora Scuderi, Aude Simon.

Les rapporteurs étaient Valérie Gabelica.


  • Résumé

    Dans la présente thèse, nous rapportons l'étude de la dissociation induite par collision (CID) de biomolécules. La CID est une technique de spectrométrie de masse (MS) bien connue, dont le but est la dissociation d’ions par l'impact avec un gaz inerte. L'énergie de translation collisionnelle est convertie en énergie interne de l’ion qui peut ainsi se dissocier. La CID est donc une technique largement utilisée en MS qui permet d'identifier, ou de quantifier, une ou plusieurs espèces par la détection des fragments générés.La réactivité et la cinétique des réactions chimiques sont généralement étudiées théoriquement par la recherche des points stationnaires sur la coordonnée de réaction. Il est ainsi possible d'identifier le chemin d'énergie minimum de réaction ou la surface d'énergie potentielle (PES). Une autre possibilité est d'effectuer des simulations de dynamique chimique, qui permettent d'explorer la réactivité d'une espèce sans connaitre les produits, ce qui est un point crucial pour des molécules plus grosses. En plus, pour interpréter la MS il est important d'avoir une compréhension fondamentale de la dynamique de la fragmentation de l’ion, et des informations importantes peuvent être récupérées avec des simulations. Dans le présent travail, nous avons étudié et développé des modèles physiques pour étudier des biomolécules complexes et flexibles, comme les acides aminés et les peptides.Une fois que l'ion est excité par une seule collision, le transfert d'énergie peut être suivi d'une redistribution statistique interne de l'énergie vibrationnelle (IVR) de l'ion et des produits statistiques sont typiquement obtenus. D'autre part, la collision peut causer une localisation de l'énergie et une excitation rapide, donnant des produits différents de ceux observés après une IVR. En particulier, une situation limite est celle où l'ion se fragmente juste après la collision avec le gaz. Afin de récupérer ces fragmentations moins statistiques, il est important de modéliser la collision, ce qui peut être fait par une dynamique chimique de collision explicite. Cependant, ce type de simulation est limité dans le temps (~ 10-15 ps). La dynamique chimique par activation statistique interne (ou thermique) peut être utilisée pour obtenir une échelle de temps plus longue et une réactivité statistique. De plus, en observent le déclin de la population par rapport au temps, il est possible d'obtenir les constantes de vitesse globales et individuelles. Les deux modes d'activation ont été appliqués pour étudier la réactivité de l'anion di-proline, les deux tripeptides doublement chargés TIK(H+)2 et TLK(H+)2 et l'anion L-cystéine-sulfate. Pour l'étude de ce dernier système en particulier, nous avons utilisé les résultats de nos simulations pour interpréter des expériences faites avec différents montages expérimentaux.

  • Titre traduit

    Theoretical modeling of gas phase collision induced dissociation of biomolecules


  • Résumé

    In the present thesis, we focus on the study of the collision induced dissociation (CID) of biomolecules. CID is a well known mass spectrometry (MS) fragmentation technique which aim is the dissociation of ions through the impact with an inert buffer gas. The collisional translational energy is converted in internal energy of the ion that can thus dissociate. CID is thus widely used in MS in order to identify or quantify one or more species through detection of the mass over charge ratio of the fragments products.Reactivity and kinetics of chemical reactions are generally studied theoretically through the research of the stationary points along the reaction coordinate. It is thus, possible, to identify the reaction minimum energy path or potential energy surface (PES). Another possibility is to perform chemical dynamics simulations, which allow to explore the reactivity of one specie without the knowledge of the products, that is a crucial point for larger molecules. Moreover, to interpret MS it is important to have a fundamental understanding of the ion’s fragmentation dynamics and important information can be recovered with simulations. In the present work, we have studied and developed physical models to address the study of complex and flexible biomolecules, like amino-acids and peptides.Once the ion is excited by single-collision, the translation-to-vibration energy transfer can be followed by a statistical internal vibrational energy redistribution (IVR) of the ion and typical statistical products are obtained. On the other hand, the collision can cause localization of the energy and a fast excitation, giving different products than those observed after an IVR. In particular a limit situation is when the ion fragments right after the collision with the gas. In order to recover these (less or fully) non-statistical fragmentations it is important to model the collision, which can be done performing explicit collision chemical dynamics. However, this activation way in simulations is limited in the time-scale (~ 10-15 ps). Statistical internal energy (or thermal) activation chemical dynamics can be used to obtain longer time scale and statistical reactivity. Moreover, observing the population decay versus the time it is possible to obtain the global and single pathways rate constants. Both activation modes have been applied to study the reactivity of the di-proline anion, the two doubly charged tri-peptides TIK(H+)2 and TLK(H+)2 and the L-Cysteine sulphate anion. In particular for the study of this last system we used our understanding of simulations to interpret experiments done with different set-ups.


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Informations

  • Sous le titre : Modélisation théorique de la dissociation induite par collision en phase gazeuse de biomolécules
  • Détails : 1 vol. (198 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 186-198.
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