Interprétation des résultats

Nous donnons dans la suite une interprétation de ces résultats en s’appuyant sur les travaux très récents d’E. Williams sur la dissociation de tripeptides dications hydratés [KYK+2H]2+_(H

2O)n(où K = lysine et Y = tyrosine) induite par capture d’électrons libres

de basse énergie (ECD : voir introduction du chapitre 6) [128]. Le changement des rapports de branchement lors de l’attachement d’un nombre croissant de molécules d’eau a été inter- prété par une diminution de l’énergie de recombinaison disponible pour la fragmentation du peptide. De plus, l’évaporation d’une ou de plusieurs molécules d’eau (la perte d’un H2O

nécessite une énergie d’environ 0,4 eV) conduit à un abaissement de l’énergie interne de la molécule qui va favoriser la canal de dissociation possédant la plus petite énergie d’activa- tion [128]. Selon les calculs de Turecek et Syrstad [121], la perte d’ammoniac est associée à une très faible barrière de l’ordre, également, de 0,4 eV. L’énergie minimale nécessaire à la formation de z+

2 a été estimée expérimentalement à 1,8 eV en prenant en compte le

fait que cette voie n’apparaît plus à partir du tripeptide [KYK+2H]2+_(H

2O)7 [128]. En

conséquence, l’attachement de molécules d’eau tend à privilégier la perte d’ammoniac par rapport à la rupture de la liaison N-Cα.

À cet égard, la solvatation du dipeptide par la molécule d’éther couronne est intéres- sante. L’énergie de complexation est beaucoup plus importante avec cette molécule qu’avec l’eau ou le méthanol, ce qui tend à affaiblir la liaison C-NH3. Cet effet est donc en faveur

de la voie de fragmentation conduisant à la perte du groupement NH3. Cependant la

formation d’un complexe par l’attachement de la molécule d’éther couronne modifie forte- ment la fonction d’onde électronique de l’état fondamental. La figure 7.7 montre la SOMO

19 Figure 6 H₃N C C H H O N H C H COOH CH₃ H₃N C C H H O N H C H COOH CH₃ O O O O O O

+

+

[GA+H]

(CE)

[GA+H]

e

e

Figure 7.7 – Représentation de la SOMO des radicaux neutres formés lors de la capture d’un électron par les cations [GA+H]+ _{et [GA+H]}+_(CE).

III.7

(plus haute orbitale occupée d’un radical) après capture d’un électron par [GA+H]+ _et

[GA+H]+_(CE)1_{. Concernant, le cation [GA+H]}+_{, il faut préciser que la différence en éner-}

gie avec le second conformère le plus stable n’est que de 0,05 eV. Ce résultat est confirmé par les calculs de Kohtani et collaborateurs [129]. L’orbitale est principalement localisée sur le groupe NH+

3. Dans le cas de l’espèce [GA+H]+(CE), on constate un déplacement très

net de la densité électronique vers le groupement amide. Ceci pourrait expliquer pourquoi la perte de NH3 est bien moins importante que la cassure la liaison N-Cα. Ceci étant, il

est difficile d’avoir des conclusions définitives sur les processus de fragmentation à la seule vue des orbitales moléculaires, qui correspondent à un attachement électronique vertical. Pour obtenir quelques certitudes sur les mécanismes de dissociation, il serait nécessaire d’explorer la façon dont la fonction d’onde électronique évolue après la relaxation géomé- trique, de calculer les états de transition puis de déterminer les taux de transition. De plus, tous les calculs présentés ici se font à une température de 0 K, ce qui n’est pas représenta- tif de l’état du système dans l’expérience (300-400 K). Une exploration aussi poussée des surfaces d’énergie potentielle nécessite des compétences pointues en chimie quantique et en modélisation théorique et ce type d’étude est bien au-delà des enjeux de cette thèse. Néanmoins, le calcul des orbitales permet d’avoir une première interprétation des résultats expérimentaux.

1. Les structures des cations ont été optimisées par une méthode DFT au niveau de théorie B3LYP/6- 31++G(d,p).

Cette troisième partie, dévolue à la prise en compte d’un environnement autour de la biomolécule, a mis en évidence un certain nombre de conclusions importantes que nous rappelons ci-dessous.

Une première modélisation de l’environnement, nous a conduits à comparer les voies de fragmentation des molécules isolées d’uracile, de thymine, d’adénine, issues de l’impact avec des ions multichargés de basse énergie, avec celles obtenues avec des agrégats de ces mêmes biomolécules. Pour tous les systèmes étudiés, des canaux de fragmentation supplémentaires, non observés pour les molécules isolées, apparaissent pour les agrégats de nucléobases. La voie la plus importante correspond à la perte simultanée d’un atome d’oxygène et d’un atome d’hydrogène (pour la thymine et l’uracile) et à celle d’un atome d’azote et d’un atome d’hydrogène (pour l’adénine). Dans le cas de la thymine, les résultats ont pu être comparés avec la littérature existante sur la phase condensée. De plus, cette voie de fragmentation caractéristique des agrégats de bases azotées est ouverte dès les plus petites tailles d’agrégats. Nous en avons conclu que ces canaux sont très probablement dus à la formation des liaisons hydrogènes entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène des molécules de thymine, assurant la cohésion des agrégats. Ceci indique que la géométrie préférentielle des édifices produits est planaire et pas empilée.

Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la dissociation du dipeptide alanine-lysine doublement protonné induite par capture électronique lors de collision avec des atomes de sodium. Ce processus physique conduit à la formation de trois canaux domi- nants, la perte d’hydrogène, la perte de NH3et la cassure de la liaison N-Cα, conduisant à la

formation des fragments c+_{et z}+_{. L’importance relative des différentes voies de fragmenta-}

tion a été étudiée en fonction de la vitesse de l’ion biomoléculaire, du degré de complexation avec une molécule d’éther couronne et du gaz de la collision. Les résultats indiquent que la perte d’hydrogène et d’ammoniac sont des canaux qui entrent en compétition, alors que la cassure de la liaison N-Cα est à peu près indépendante de ces paramètres. Par ailleurs,

la complexation du dipeptide par deux molécules d’éther couronne a permis de mettre en évidence le fait que la rupture de la liaison N-Cα ne nécessite pas de transfert de proton en

direction du groupement amide de la molécule, alors que ce mécanisme est généralement invoqué dans ce type de dissociation. Ce résultat rejoint des conclusions similaires obte- nues dans le cas de peptides ayant subi une réaction de métallation (attachement d’atomes métalliques) [130,131].

Enfin, dans une démarche visant à caractériser plus précisément les effets de la nano- solvatation, nous avons étudié la fragmentation d’un dipeptide (glycine-alanine) et d’un

de « charge opposée » a été utilisée pour convertir les fragments neutres en espèces char- gées négativement facilement détectables. Ainsi, il est possible, comme précédemment, de mettre en évidence le fait que les radicaux neutres, issus de la capture électronique, se désexcitent par perte d’hydrogène, d’ammoniac et rupture de la liaison N-Cα. Pour le

dipeptide, la perte de NH3 et la cassure de la liaison N-Cα dépendent fortement de la mo-

lécule de solvant (eau, acétonitrile, méthanol, ou éther couronne) attachée à la biomolécule. L’attachement d’eau ou de méthanol favorise sensiblement la perte d’ammoniac au détri- ment de la rupture de la liaison N-Cα, alors que le comportement inverse est observé pour

la présence d’acétonitrile et d’éther couronne. Dans le cas du tripeptide, un effet similaire est observé avec le méthanol, tandis que le rapport de branchement entre les fragments z₁− et z−₂ ne change pas entre les dipeptides isolés et nano-solvatés. Pour compléter ces résultats, des calculs de DFT révèlent une modification importante de la fonction d’onde électronique de l’état fondamental, dans le cas d’une complexation par la molécule d’éther couronne. En particulier, pour l’espèce [GA+H]+_{(CE), on constate un déplacement très}

net de la densité électronique vers le groupement amide, qui tendrait à expliquer, en accord avec l’expérience, le fait que la perte de NH3 est bien moins importante que la cassure de

la liaison N-Cα.

Les expériences de cette partie mettent bien en évidence la modification des voies de fragmentation lors de la présence de molécules de solvant, constituant un environnement ; ces effets intervenant dès les premières couches de solvatation, qu’il s’agisse d’agrégats ou de systèmes hydratés. Néanmoins, il serait intéressant de pouvoir étudier l’ensemble des voies de dissociation de systèmes biomoléculaires plus réalistes (grands systèmes environnés). À cette fin, nous présentons dans la partie suivante de cette thèse, la première étape d’un dispositif expérimental dédié à l’étude de l’interaction entre ces systèmes et des ions multichargés de basse énergie.

IV

Développements techniques :

mises au point, réalisations et

IV.8

8

Source electrospray

Sommaire

8.1 Origine et principe du dispositif

8.2 Mécanismes de formation, d’émission et de fis-