On a présenté dans les sections précédentes, la géométrie de TS dans la protéine
pour S0 et S1 pour le TS1 et le TS2 ainsi que les IRC correspondants. Ici nous allons
comparer ces deux TS et comprendre comment peut se dérouler la tautomérisation
FIGURE12.15 – A gauche, représentation du tautomère phénolate-kéto après la
rota-tion de 60° du dièdre O4-P-O5-C4 dans la protéine et dans S0. A droite, représentarota-tion
du tautomère phénolate-kéto dans la structure de départ à l’intérieur de la protéine
et dans S0. L’oxyluciférine, l’AMPH et la molécule d’eau sont représentés sous forme
de bâtons.
kéto-énol.
Premièrement, cette étude montre que la tautomérisation dans la protéine
né-cessite plus de centres réactionnel qu’attendu. Ce transfert de protons a lieu sur 5
centres réactionnels entre l’oxyluciférine, l’AMPH et une molécule d’eau.
Contrai-rement à une réaction sur 4 centres comme postulé au début de ce chapitre, cela
permet d’accroitre l’espace alloué au déplacement des hydrogènes. Cependant dans
le cas de la formation du tautomère phénolate-kéto cette réaction sur 5 centres ne
permet pas de retrouver la structure initiale où l’hydrogène de l’AMPH est situé sur
l’oxygène le plus proche de l’oxyluciférine (voir Figure 12.3). On a calculé l’énergie
nécessaire à la rotation de l’angle O-P-O. Le chemin énergétique calculé montre qu’il
est possible de faire tourner les atomes d’oxygène du groupement phosphate afin de
retrouver l’atome d’oxygène possédant l’hydrogène face à l’oxyluciférine. La barrière
trouvée est faible dans le cas du TS1 et du TS2, de l’ordre de 5 kcal/mol et la
struc-ture calculée, après rotation est plus stable que la strucstruc-ture phénolate-kéto à la fin de
l’IRC.
On s’intéresse maintenant au mécanisme de la tautomérisation. Dans un premier
temps on compare les structures finales obtenues à partir de ces deux TS. Quand on
superpose les deux graphiques pour l’IRC dans le TS1 et dans le TS2 on voit que les
énergies des TS ne sont pas les mêmes. Cependant, les structures finales calculées,
pour le tautomère kéto et énol possèdent la même énergie, qu’elles soient issues du
TS1 ou du TS2.
FIGURE12.16 – Graphique du profil énergétique en fonction de l’IRC dans la protéine
pour le TS1 et le TS2. Le tautomère phénolate-kéto est formé vers les coordonnées de
réaction positives et le tautomère phénolate-énol est formé vers les coordonnées de
réaction négative. Le point à 0 eV correspond au dernier point du chemin réactionnel
calculé dans le cas du phénolate-kéto dans S0 dans la protéine. Pour le TS1, en ligne
rouge, la courbe du profil énergétique vers la forme kéto dans S0 ; en vert la courbe
du profil énergétique vers la forme énol dans S0. En croix rouge opaque, la courbe du
profil énergétique vers la forme kéto dans S1 ; en croix rouge transparente, la courbe
du profil énergétique vers la forme kéto dans S0 calculée à partir de S1. En croix verte
opaque, la courbe du profil énergétique vers la forme énol dans S1 ; en croix verte
transparente, la courbe du profil énergétique vers la forme énol dans S0 calculée à
partir de S1. Pour le TS2, en ligne jaune, la courbe du profil énergétique vers la forme
kéto dans S0 ; en vert clair la courbe du profil énergétique vers la forme énol dans
S0. En croix jaune opaque, la courbe du profil énergétique vers la forme kéto dans
S1 ; en croix jaune transparente, la courbe du profil énergétique vers la forme kéto
dans S0 calculée à partir de S1. En croix verte claire opaque, la courbe du profil
éner-gétique vers la forme énol dans S1 ; en croix verte claire transparente, la courbe du
profil énergétique vers la forme énol dans S0 calculée à partir de S1.
De plus, la géométrie des deux tautomères est également similaire quelque
soit le TS de départ. Ces données montrent qu’il existe deux chemins, passant par
2 TS différents permettant de former les deux formes tautomères kéto et énol de
l’oxyluciférine (voir Figure 12.6).
Le 2èmepoint important concerne l’énergie des barrières entre la structure finale de
l’IRC et l’énergie du TS. Comme l’un des TS est plus bas en énergie, les valeurs des
barrières calculées sont plus faibles pour celui-ci que pour l’autre TS. Ainsi, dans le
cas du TS2 les barrières montrent une énergie de l’ordre de 55 à 65 kcal/mol alors
que dans le TS1, ces barrières sont toutes supérieures à 70 kcal/mol et atteignent
même pour l’état S0 des valeurs de 110 kcal/mol.
Finalement la question restante est : peut-t’on observer la réaction de
tautomé-risation entre le phénolate-kéto et le phénolate-énol ?
Si on considère l’énergie des barrières pour le TS1, cela est impossible aussi bien
dans le S1 que dans le S0. Il faut apporter une énergie de plus de 70 kcal/mol, et
pour l’instant il est difficile d’imaginer d’où peut venir cette source d’énergie. Pour
le TS2, les énergies des barrières sont plus basses, mais reste supérieur aux énergies
de tautomérisation trouvées dans la littérature127,128. Néanmoins, une énergie de
56 kcal/mol correspondant à la barrière entre le tautomère phénolate-kéto et le TS
semble assez basse pour observe la tautomérisation.
Dans le TS1 et le TS2 on observe que la barrière pour passer du tautomère
phénolate-énol au phénolate-kéto est plus basse que pour le chemin inverse.
Pour-tant expérimentalement le tautomère phénolate-énol est plus souvent observé que
C
HAPITRE12 : E
TUDE DE LA TAUTOMÉRISATION KETO-
ENOLla forme kéto125. L’hypothèse explicitée par la suite nous semble raisonnable afin
d’expliquer les résultats observés dans la littérature mais il pour l’instant impossible
de la vérifier.
On considère les deux chemins réactionnels issus de TS1 et TS2 dans la protéine
et seulement pour l’état excité S1. Quand on analyse la géométrie des TS dans la
pro-téine, on remarque que le TS2 est proche de la géométrie du tautomère
phénolate-kéto. Ainsi, quand on part du tautomère phénolate-kéto, comme à la fin de la
cou-pure du cycle dioxétanone, il est possible de réaliser la tautomérisation afin
d’obte-nir le tautomère phénolate-énol via le TS2. Seulement comme la géométrie du TS1
est proche de la géométrie du phénolate-énol on peut penser que c’est ce TS qui
est obtenu lorsqu’on part du tautomère phénolate-énol, comme un effet
d’hystéré-sis. Mais cette fois-ci la tautomérisation est impossible à cause de la barrière
éner-gétique élevée (71 kcal/mol). L’oxyluciférine reste alors bloquée dans la
conforma-tion phénolate-énol comme observé dans les résultats expérimentaux. Les quesconforma-tions
que l’on peut se poser et donnant lieu à de futurs calculs sont : Pourquoi le substrat
phénolate-énol ne reprend pas le chemin réactionnel via le TS2 le plus bas en
éner-gie ? Peut-on trouver une preuve afin de vérifier ce mécanisme ?. Enfin, on peut
égale-ment s’intéresser à la formation du substrat énolate à partir du
phénolate-énol. Cette réaction chimique conduit peut-être à la formation du phénolate-énolate
avec une forte stabilisation énergétique et empêchent alors la tautomérisation de
l’énol vers le kéto.
Dans le document
Etude QM/MM de systèmes bioluminescents
(Page 167-171)