Chemin réactionnel après le départ de l’AMP

La partie précédente a montré qu’il est compliqué de former le substrat

Int-dioxétanone. L’approche suivie auparavant bloque surtout quand les deux oxygènes

se lient au carbones C1 et C2. En particulier, le carbone C2 doit, lors de la réaction

de coordination du O2, passer d’une hybridation sp² à une hybridation sp³. Or,

dans les orbitales de l’espace actif obtenue à la distance D-coord valant 1.5 Å on

continue à voir le caractère sp²de ce carbone, via la présence d’orbitalesπentre C2

et O3. On peut réfléchir à une autre approche possible de la formation du substrat

Int-dioxétanone tout en conservant l’hybridation sp²du carbone C2. Une solution

possible consiste à casser la liaison C2-O4, correspondant à la liaison ester entre la

luciférine et l’AMP.

L’espace actif choisi lors de cette étude ne comporte pas la liaison sigma entre

C2 et O4. La cassure de cette liaison n’était donc pas autorisée lors de l’approche

de O2 réalisée dans les paragraphes précédents. Afin de suivre ce nouveau chemin

réactionnel, on suit le protocole suivant : On part d’une structure optimisée avec la

contrainte D-coord valant 1.5 Å ou 2.3 Å. Sur cette structure, un nouvelle contrainte

est définie, appelée D-ester et correspondant à une distance de 1.8 Å entre le

carbone de la luciférine C2 et l’oxygène de l’AMP O4. Un calcul d’optimisation

SA-CASSSCF/MM est ensuite réalisé avec cette nouvelle contrainte (il n’y a alors

plus de contrainte sur D-coord). Lors de cette optimisation, la coupure de la liaison

C2-O4 se fait de façon hétérolitique, toute la densité électronique se retrouvant sur

l’oxygène. Ainsi, dans les orbitales après cassure, on voit que chaque oxygène du

groupement phosphate possède une charge négative.

Puis, sur la structure obtenue, on réutilise une optimisation avec comme seule

contrainte la contrainte D-coord valant cette fois-ci 1.5 Å afin d’approcher O₂. Enfin,

suite à cette optimisation, on enlève toute contrainte et on réoptimise afin de relaxer

le système. On vérifie à chaque pas que la liaison entre la partie luciférine et AMP,

C2-O4 ne se reforme pas. Un récapitulatif des différentes étapes est présentée dans

la figure 13.7. Ce protocole est réalisé à partir de 4 structures : Int-s-O2 avec D-coord

= 1.5 Å, Int-t-O2 avec D-coord = 1.5 Å. ainsi que Int-O2 avec D-coord = 2.3 Å,

obte-nue à l’état singulet et à l’état triplet. Nous discutons de ces deux approches des les

paragraphes suivants.

Quand le départ de l’AMP est réalisé à une contrainte D-coord valant 1.5 Å.

Dans un premier temps on réalise le départ de l’AMP quand la D-coord vaut 1.5

Å. Cela équivaut à casser la liaison entre la luciférine et l’AMP quand la coordination

du dioxygène au substrat Int a déjà eu lieu (au moins en partie).

La structure de départ est différente dans le cas du singulet ou du triplet, on traite

donc le chemin réactionnel séparément selon le spin total du système. Suite au calcul

d’optimisation avec la contrainte D-ester valant 1.8 Å entre C2 et O4, les structures

obtenues sont notées Int-A-s (dans le cas du singulet) et Int-A-t (dans le cas du

tri-plet) ; elles montrent bien la cassure de liaison entre la luciférine et l’AMP. En outre,

un calculsingle point MS-CASPT2/MM montre que l’énergie de ces deux nouvelles

structures est identique à l’énergie des structures de départ respectives.

Dans le cas du singulet, on réintroduit ensuite la contrainte D-coord valant 1.5

Å. Une nouvelle fois le cycle dioxétanone n’est pas obtenu. A la place, on observe la

cassure de la liaison C1-C2 alors que C1 est toujours lié à la molécule de O₂. Le calcul

de minimisation sans contrainte réalisée sur la structure précédente ne converge pas,

nous n’avons donc pas accès à son énergie finale.

Pour le cas du triplet, l’optimisation avec la contrainte D-coord valant 1.5 Å, puis le

FIGURE13.14 – Représentation du système après la simulation umbrella sampling,

pour la structure Int-B-s, la structure obtenue après une contrainte D-ester entre C2

et O4 de 1.8 Å sur la structure Int-O2 avec D-coord = 2.3 Å et pour les états singulets.

Le substrat Int et la molécule de O₂sont représentés sous forme de bâtons, le résidu

Hip 245 et la molécule d’eau par la représentation CPK. Les traits pointillés

repré-sente les distances C1-O1 et C2-O2 intervenant dans le calcul de Dis-CAS ainsi que la

distance C2-O4.

calcul de minimisation sans contrainte montre la formation d’un cycle dioxétanone,

et donne le modèle nommée Int-A-t-dioxétanone. Dans ce modèle, C1-O1 est égal à

1.46 Å, C2-O2 vaut 1.38 Å, O1-O2 est égal à 1.54 Å, C1-C2 à 1.50 Å et C2-O4 est de 2.72

Å. Le dièdre impropre C4-N1-C2-C1 est de 25°, et le dièdre C1-O1-O2-C2 est de 5°.

L’énergie MS-CASPT2/MM de ce point est de +2.53 eV par rapport à la structure de

départ avec la contrainte D-coord valant 3.5 Å. Cette énergie est cependant inférieure

à celle obtenue pour la structure Int-t-O2 avec D-coord = 1.5 Å, discutée dans le point

C

HAPITRE

13 : E

TUDE DE L

’

ÉTAPE DE COORDINATION DU DIOXYGÈNE LORS DE LA BIOLUMINESCENCE

précédent.

Le départ de l’AMP réalisée à une contrainte D-coord valant 1.5 Å donne lieu à des

résultats en demi-teinte. Dans le cas des états singulets on n’observe pas la formation

du cycle dioxétanone alors que dans le cas des états triplets le cycle dioxétanone est

obtenu avec une barrière énergétique élevée. En outre, cette approche en faisant

par-tir l’AMP ne permet pas de stabiliser la structure avec le cycle dioxétanone.

Quand le départ de l’AMP est réalisée à une contrainte D-coord valant 2.3 Å.

Dans la deuxième approche on réalise le départ de l’AMP quand la D-coord

vaut 2.3 Å. Cela équivaut à casser la liaison entre la luciférine et l’AMP avant la

coordination du dioxygène au substrat Int.

La structure obtenue pour une contrainte D-coord = 2.3 Å est identique dans le

cas de l’état singulet et de l’état triplet. On part donc de cette même structure mais

on traite toujours le chemin réactionnel séparément selon le spin total du système.

Suite au calcul d’optimisation avec la contrainte D-ester valant 1.8 Å entre C2 et O4,

les structures obtenues sont notées Int-B-s (dans le cas du singulet) et Int-B-t (dans

le cas du triplet). Ces structures montrent bien la cassure de liaison entre la luciférine

et l’AMP.

Pour un état fondamental singulet la structure Int-B-s montre une augmentation

de la distance entre O₂ et le substrat Int. On passe d’une distance D-coord de 2.3

Å à une distance de 3.15 Å avec la distance C1-O1 égale à 3.42 Å et C2-O2 égale à

2.88 Å (voir Figure 13.14). Finalement, l’énergie calculée pour cette structure est

légèrement supérieure à la structure de départ contenant l’AMP, avec +0.71 eV contre

+0.54 eV pour la structure avec D-coord valant 2.3 Å (voir Figure 13.15).

FIGURE13.15 – Graphique représentant l’énergie du système en eV pour 4 points lors

de l’approche de O2. Le point à zéro eV correspond à l’énergie de la structure pour

D-coord valant 3.5 Å. Le point nommé Int-B-s/t correspond au point obtenu après

l’application de la contrainte D-ester sur la structure Int-O2 avec D-coord = 2.3 Å. Le

point nommé Int-B-s/t-dioxétanone correspond au point obtenu après l’application

de la contrainte D-coord = 1.5 Å suivi d’une minimisation sur la structure Int-B-s/t.

En rouge correspond l’état S0, en orange S1, en vert l’état T0 et en bleu l’état T1.

Par la suite la contrainte D-coord, valant 1.5 Å, est appliquée sur la structure

Int-B-s et une fois le dioxygène proche du substrat Int, on récupère la structure

obtenue pour le dernier pas et on la minimise. On obtient alors la structure

Int-B-s-dioxétanone (voir figure 13.16). Dans cette dernière la distance C1-O1 est égale à

1.49 Å, C2-O2 égal à 1.36 Å, O1-O2 égal à 1.40 Å, C1-C2 à 1.50 Å et C2-O4 est de 3.06

Å. Le dièdre impropre C4-N1-C2-C1 est de 22° et le dièdre C1-O1-O2-C2 est de -3°.

L’atome O2 ne possède plus de liaisons hydrogène. La molécule d’eau n°675 forme

un réseau de liaison hydrogène avec le résidu Hip 245 et un oxygène du groupement

phosphate de l’AMP.

Au niveau énergétique, l’énergie diminue fortement et passe à -1,51 eV par rapport

FIGURE13.16 – Représentation du système après la simulation umbrella sampling,

pour la structure Int-B-s-dioxétanone, après une contrainte D-coord valant 1.5 Å

suivi d’une minimisation sur la structure Int-B-s pour les états singulets. Le substrat

Int-dioxétanone et la molécule de O₂sont représentés sous forme de bâtons, le

ré-sidu Hip 245 et la molécule d’eau par la représentation CPK. Les traits pointillés

re-présente les distances C1-O1 et C2-O2 intervenant dans le calcul de Dis-CAS ainsi

que la distance C2-O4.

à la structure 4G36-O2-min soit -34 kcal/mol. L’écart S1-S0 s’accroit beaucoup et

passe à 5.31 eV (voir Figure 13.15).

Au niveau orbitalaire, on note la perte de l’orbitale centrée sur le soufre dans

l’es-pace actif. A la place on a l’apparition de plusieurs orbitales représentant les liaisons

σetσ* entre C1 et O1. Les orbitales montrant ces liaisons possèdent également un

caractère d’orbitaleπdélocalisée. En outre, les deux orbitalesπissues du dioxygène

interagissent avec le cycle thiazolone et avec la paire libre de l’azote N1. On

n’ob-serve pas par contre les orbitalesσetσ* de la liaison C2-O2. Il existe cependant une

orbitaleπentre C2 et O2 présente dans l’espace actif (voir Annexes A11).

C

HAPITRE

13 : E

TUDE DE L

’

ÉTAPE DE COORDINATION DU DIOXYGÈNE LORS DE LA BIOLUMINESCENCE

On a finalement réussi à obtenir une structure contenant un cycle dioxétanone

pour des états singulets. De plus, l’énergie calculée est plus basse que celle de la

structure de départ, montrant que cette réaction est thermodynamiquement

fai-sable.

Dans le cas de l’état fondamental triplet, la contrainte de 1.8 Å sur C2-O4 éloigne

également O₂du substrat. Dans la structure Int-B-t (voir Figure 13.17), on retrouve

la stabilisation de O2 par le résidu Hip 245 et une molécule d’eau. La distance C1-O1

est égale à 3.39 Å et C2-O2 vaut 2.85 Å. L’énergie de cette structure est légèrement

supérieure à celle avec D-coord égale à 2.3 Å, avec +0.82 eV contre +0.54 eV.

Par la suite la contrainte D-coord égale à 1.5 Å est directement appliquée et une

FIGURE13.17 – Représentation du système après la simulation umbrella sampling,

pour la structure Int-B-t, la structure obtenue après une contrainte D-ester entre C2

et O4 de 1.8 Å sur la structure Int-O2 avec D-coord = 2.3 Å et pour les états triplets. Le

substrat Int et la molécule de O₂sont représentés sous forme de bâtons, le résidu Hip

245 et la molécule d’eau par la représentation CPK. Les traits pointillés représente les

distances C1-O1 et C2-O2 intervenant dans le calcul de Dis-CAS ainsi que la distance

C2-O4.

fois le dioxygène proche du substrat Int, la dernière image du calcul est extraite et

minimisée sans contrainte. On obtient alors la structure Int-B-t-dioxétanone (voir

Figure 13.18 et Annexes A12). Dans cette dernière la distance C1-O1 est égale à 1.50

Å, C2-O2 égal à 1.37 Å, O1-O2 égal à 1.40 Å, C1-C2 à 1.50 Å et C2-O4 est de 5.07 Å.

Le dièdre impropre C4-N1-C2-C1 est de 24° et le dièdre C1-O1-O2-C2 est de -1°.

La distance entre Int-B-t-dioxétanone et l’AMP est très grande car le groupement

phosphate subit une rotation de 60° et O4 ne pointe plus en direction du substrat.

En outre, O2 possède toujours une liaison hydrogène mais avec une autre molécule

d’eau n°675. Un réseau de liaisons hydrogène est formé entre Hip 245, la molécule

d’eau n°675 et l’oxygène de l’AMP qui appartient à la liaison PO dirigée vers C2.

Au niveau énergétique l’énergie augmente quand on passe de Int-B-t à

Int-B-t-FIGURE13.18 – Représentation du système après la simulation umbrella sampling,

pour la structure Int-B-t-dioxétanone, après une contrainte D-coord valant 1.5 Å

suivi d’une minimisation sur la structure Int-B-t pour les états triplets. Le substrat

Int-dioxétanone et la molécule de O₂sont représentés sous forme de bâtons, le

ré-sidu Hip 245 et les molécules d’eau par la représentation CPK. Les traits pointillés

représente les distances C1-O1 et C2-O2 intervenant dans le calcul de Dis-CAS ainsi

que la distance C2-O4.

dioxétanone et atteint la valeur +1.75 eV par rapport à l’énergie de 4G36-O2-min

(voir Figure 13.15).

Pour les 3 différents substrats Int-dioxétanone obtenus dans un état

fondamen-tal triplet, l’énergie trouvée est toujours supérieure à celle de départ. Il est alors

rai-sonnable de penser qu’il est difficile de former le dioxétanone pour un mécanisme

comportant des états triplets.

13.4 Discussion

L’étude de la coordination du dioxygène a montré de nombreux points plus ou

moins ambigus que nous allons discuter maintenant.

Dans le document Etude QM/MM de systèmes bioluminescents (Page 191-196)