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Discussion

Dans le document Etude QM/MM de systèmes bioluminescents (Page 167-171)

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

HAPITRE

12 : E

TUDE DE LA TAUTOMÉRISATION KETO

-

ENOL

la 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)