Tyrosyl radicals can facilitate proton-coupled electron transfer (PCET) reactions that are linked to catalysis in many biological systems. One such protein system is ribonucleotide reductase (RNR). This enzyme is responsible for the conversion of ribonucleotides to deoxyribonucleotides. The beta2 subunit of class Ia RNRs contains a diiron cluster and a stable tyrosyl radical (Y122*). Reduction of ribonucleotides is dependent on reversible, long-distance PCET reactions involving Y122* located 35 Å from the active site. Protein conformational dynamics are postulated to precede diiron cluster assembly and PCET reactions in RNR. Using UV resonance Raman spectroscopy, we identified structural changes to histidine, tyrosine, and tryptophan residues with metal cluster assembly in beta2. With a reaction-induced infrared spectroscopic technique, local amide bond structural changes, which are associated with the reduction of Y122*, were observed. Moreover, infrared spectroscopy of tyrosine-containing pentapeptide model compounds supported the hypothesis that local amide bonds are perturbed with tyrosyl radical formation. These findings demonstrate the importance of the amino acid primary sequence and amide bonds on tyrosyl radical redox changes. We also investigated the function of a unique tyrosine-histidine cross-link, which is found in the active site of cytochrome c oxidase (CcO). Spectrophotometric titrations of model compounds that mimic the cross-link were consistent with a proton transfer role in CcO. Infrared spectroscopic data support the formation of tyrosyl radicals in these model compounds. Collectively, the effect of the local structure and the corresponding protein dynamics involved in tyrosyl radical-mediated PCET reactions are illustrated in this work.

Cytochrome c oxidase (COX) is one of two known Cu-containing enzymes in mitochondria. Delivery and insertion of copper into COX are very complex processes that require multiple steps and involve a large number of assisting factors. One of the involved components is Cox11p, a copper binding protein in the inner mitochondrial membrane that is conserved from prokaryotes to eukaryotes. Cox11p is essential for respiratory growth and implicated in the assembly of the CuB site located in subunit Cox1p of COX. In the thesis the topology of Cox11p was determined and evidence for its association with the mitochondrial translation machinery is provided. The interaction of Cox11p with mitoribosomes is mediated by its single evolutionary conserved transmembrane segment and appears to be indirect and mediated by another conserved membrane protein(s). A model is proposed in which the CuB site is co-translationally formed by a transient interaction between Cox11p and the nascent Cox1p in the mitochondrial intermembrane space. In addition the genetic and biochemical characterization of S. pombe Cox11p homologue was performed. Two versions of cox11+ gene are detected in a haploid S. pombe genome. Cells lacking either of the cox11+ copies remain respiratory competent, whereas deletion of both S. pombe cox11+ alleles appears to result in either spore lethality or in severe decrease of spores viability. Thus, both versions of SpCox11p are functional and important. In S. pombe Cox11p exists as a tandem with the mitoribosomal protein Rsm22p. This precursor protein is cleaved during mitochondrial import into two mature protein species corresponding to Rsm22p- and Cox11p-like moieties.

Un polypeptide néosynthétisé est capable de trouver rapidement le chemin vers sa structure tri-dimensionnelle finale, en passant par des intermédiaires partiellement structurés. L'acquisition d'information sur le rôle et l'importance de ces intermédiaires est rendue difficile parce qu'ils se forment très rapidement pendant la réaction de repliement et que cette période de temps n'est pas accessible aux appareils de mélange usuels.<br />L'objet de cette thèse était de caractériser les évènements cinétiques initiaux du repliement des protéines, notamment de l'apomyoglobine (apoMb), en utilisant des appareils de mélange ultra-rapide. Un appareil de type stopped-flow équipé d'une micro-cuve a permis de diminuer le temps mort de ce type de mélangeur. Une réaction bimoléculaire (NATA et NBS), à permis d'évaluer le temps mort à 400±10 µs, dans un mode d'utilisation permettant de suivre simultanément le signal de fluorescence et le signal de dichroïsme circulaire dans l'UV lointain. L'apoMb est une protéine particulièrement intéressante pour l'étude des évènements précoces du repliement des protéines. Le stopped-flow ultra rapide, a permis de suivre des cinétiques (k jusqu'à 1500 s-1) et montré que chaque étape précédemment identifiée, conduisant l'apoMb de sa forme dépliée à sa forme native (soit les réactions UIa, IaIb, et IbN), présente les caractéristiques typiques d'une réaction à deux états, hautement coopérative.<br />Nous avons étudié l'effet d'osmolytes sur les cinétiques et sur la stabilité à l'équilibre des formes U, I et N de l'apoMb. Des études cinétiques en présence de sucrose ont permis d'observer le comportement de la réactions UIa. Ces résultats indiquent que le sucrose déstabilise de manière relative la forme U et l'état de transition de la réaction UIa, par rapport à la forme Ia. L'étape limitante ne correspondrait donc pas à une compaction de la chaîne peptidique. Dans les mêmes conditions, l'étude de la transition IbN permet d'observer que l'état de transition présente des caractéristiques proches de Ib. Ces résultats, décrivant l'effet osmophobique sur l'intermédiaire I, ainsi que des résultats préliminaires de l'effet d'encombrement moléculaire sur le repliement du cytochrome C, sont discutés dans ce mémoire.

Electron transfer, ET, and proton-coupled electron transfer, PCET, reactions are central to biological reactions involving catalysis, energy conversion and energy storage. The movement of electrons and protons in either a sequential or concerted manner are coupled in a series of elementary reaction steps in respiration and photosynthesis to harvest and convert energy consumed in foodstuffs or by absorption of light into high energy chemi-cal bonds in the form of ATP. These electron transfer processes may be modulated by conformational dynamics within the protein matrix or at the protein-protein interface, the energetics of which are still not well understood. Photoacoustic calorimetry is an estab-lished method of obtaining time-resolved reaction enthalpy and volume changes on the nanosecond to microsecond timescale. Photoacoustic calorimetry is used here to probe 1) the energetics and volume changes for ET between the self-assembled anionic uroporphy-rin:cytochrome c complex and the role of the observed volume changes in modulating ET within the complex, 2) the enthalpy and volume change for the excited state PCET reac-tion of a tyramine functionalized ruthenium(II) bis-(2,2'-bipyridine)(4-carboxy-4'-methyl-2,2'-bipyrine) meant to be a model for the tyrosine PCET chemistry carried out by cyto-chrome c oxidase and photosystem II, 3) the enthalpy and volume changes related to car-bon monoxide and tryptophan migration in heme tryptophan catabolic enzyme indoleam-ine 2,3-dioxygenase.

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<p>In electrochemical oxidation treatment of wastewater, the electrode material is an important parameter in optimizing oxidative electrochemical processes, since the mechanism and products of several anodic reactions are known to depend on the anode material. The electrochemical oxidation of benzaldehyde, nitrobenzene and m-cresol on bare boron-doped diamond (BDD) electrode was investigated. Cytochrome c was then electrochemically immobilsed onto the functionalized BDD electrode by cyclic voltammetry. Oxidation and reduction reaction mechanism of each flavonoid was studied. There was one oxidation and reduction peaks for quercitin and catechin respectively, and two oxidation and two reduction peaks for rutin. The cytochrome c modified BDD electrode showed good sensitivity for all three flavonoids and low detection limits i.e. 0.42 to 11.24 M as evaluated at oxidation and reduction peaks, respectively.</p>

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La cytochrome c oxydase (CcO) est un complexe protéique commun à tous les organismes aérobies. Elle catalyse la réduction de l'oxygène en eau au niveau d'un site catalytique qui contient un atome de fer hémique et un atome de cuivre (CuB). La famille de ces oxydases est ainsi appelée super famille des oxydases à "hème-cuivre". Malgré le grand nombre d'études réalisées au sujet de l'activité catalytique des CcO, le déroulement exact des étapes de leur mécanisme reste encore mal connu. Afin de mieux cerner le problème de la relation structure-activité de cette hémoprotéine, deux approches distinctes et complémentaires ont été abordées : l'étude du système naturel et l'approche biomimétique. Les propriétés électroniques et vibrationnelles de certains intermédiaires du cycle catalytique de la cytochrome c oxydase ont été caractérisées par spectroscopies UV-Visible, de fluorescence résolue en temps et infrarouge. L'analyse du site actif de la CcO par des substitutions isotopiques du CuB, ainsi que l'influence du pH sur la structure de cet enzyme sont discutées. La deuxième partie de ce travail concerne l'étude du rôle de l'environnement proche de l'hème sur la réactivité des complexes FeII-CO et FeII-O2 grâce à une série de modèles superstructurés du centre binucléaire Fe/Cu de la CcO. Ces analogues synthétiques conservent l'hème, la ligation fer-histidine du site proximal et le ligand complexant le cuivre du site distal de la CcO, mais se différencient notamment par leur environnement autour de l'atome de cuivre et par leur rigidité. Deux techniques ont été utilisées: la spectroscopie ATR-IRTF et la photochimie dans le cas d'espèces carbonylées.

L'objectif de ce travail est l'obtention de mimes efficaces d'hémoprotéines telles le cytochrome P450, la myoglobine ou la cytochrome c oxydase, grâce à des variations synthétiques autour d'une porphyrine à anse phénanthroline (Porphen). Un nouveau modèle de cytochrome c oxydase a plus particulièrement été analysé ici. Il est préparé par substitution des deux positions meso d'une Zn-Porphen. Des phénomènes dynamiques ont été observés et étudiés par RMN 1H, mettant en évidence la présence d'atropoisomères et la coordination-décoordination de la pyridine proximale sur le zinc. Le remplacement du zinc par du fer a ensuite permis l'étude de la coordination d'un sixième ligand exogène dans un site distal dynamique. L'évolution de la géométrie du complexe a été suivie par spectrophotométrie UV-Visible et RPE. En présence de ligands azotés de type midazoles, il se forme dans tous les cas des complexes [1 récepteur/ 1 substrat]. La forte affinité de notre modèle pour le dioxygène a été montrée à la fois par spectrophotométrie UV-Visible, RMN 1H et par résonance Raman. Que ce soit en UV-Visible ou en RMN, la réversibilité du dioxygène a été montré par son remplacement par du CO. La souplesse de cette nouvelle architecture a été mise en évidence, par l'observation d'une relative flexibilité lors des études par spectroscopie IR de la fixation de CO dans le site distal. Cette adaptabilité est également à l'origine d'un comportement assez surprenant en électrochimie, où la réduction du fer(III) et l'oxydation du cuivre(I) en présence de O2 sont facilitées. En électrocatalyse, la réduction de O2 par ce nouveau modèle de cytochrome c oxydase n'est pas facilitée en terme de potentiel, mais efficace quant à la contribution d'un mécanisme à 4 électrons.