Thèse de doctorat : Chimie : Nancy 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Le nombre de cibles potentielles pour la conception de nouvelles molécules à activité thérapeutique ne cesse de croître. Pour chaque cible, il est nécessaire d’identifier des molécules actives et de les optimiser afin d’atteindre l’affinité et la sélectivité recherchées. Ces nouveaux défis accentuent la nécessité d’améliorer notre compréhension des facteurs qui mènent à la reconnaissance moléculaire entre une drogue potentielle et une macromolécule biologique, et particulièrement des facteurs énergétiques à la base de la stabilisation d’un complexe d’interaction. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’effet que pouvaient avoir les équilibres de protonation/déprotonation des résidus ionisables d’une protéine sur les paramètres thermodynamiques caractérisant la complexation d’un ligand. Dasns ce but, nous avons étudié l’interaction entre l’α-chymotrypsine et un de ses inhibiteurs compétitifs, la proflavine. Cette protéine est représentative d’un nombre important d’enzymes présentant le même mécanisme catalytique. La compréhension des facteurs qui régissent les équilibres de protonation/déprotonation des résidus ionisables présents dans son site actif ainsi que de l’effet sur ceux-ci de l’interaction avec des ligands est d’une importance primordiale pour le développement d’inhibiteurs plus sélectifs de ces protéases. Cette étude s’est essentiellement composée de trois volets. (i) La réalisation d’un modèle du complexe d’interaction afin de confronter des données structurales aux données expérimentales recueillies. (ii) L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) afin de mettre en évidence les résidus ionisables dont les équilibres de protonation/déprotonation sont influencés par la complexation du ligand. (iii) L’étude de la thermodynamique de l’interaction par Calorimétrie à Titrage Isotherme (ITC) et spectroscopie d’absorption en fonction de l’état d’ionisation des résidus identifiés par l’étude RMN. Le modèle du complexe d’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine a été réalisé sur base de la structure cristallographique du complexe entre cet inhibiteur et une protéase apparentée à la chymotrypsine, la thrombine. Il ressort de l’analyse du modèle obtenu que la proflavine est profondément enfouie dans le subsite S1 de l’enzyme et présente une très grande complémentarité de surface avec cette poche hydrophobe. Nous avons également pu constater la présence de plusieurs molécules d’eau immobilisées au sein du complexe, et d’une molécule en particulier faisant office de relais de liens-H. L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par RMN du 1H a été précédée par une étude de l’effet du degré de maturité de l’enzyme sur les interactions liant les différents résidus composant la triade catalytique (Asp102, His57 et Ser195). Lors de l’activation du précurseur inactif de l’enzyme, le chymotrypsinogène, vers la forme mature, l’α-chymotrypsine, il semble en effet que le lien-H entre le NHε2 de l’His57 et le Oγ de la Ser195 soit affaibli, contrairement à celui qui relie le NHδ1 de cette même histidine au Oδ1 de l’Asp102. Nous rapportons pour la première fois l’observation de l’influence de la protonation de l’Asp102 sur les déplacements chimiques des protons NHδ1 et NHε2 de l’His57. L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par RMN, nous a permis de mettre en évidence l’effet de la complexation du ligand sur l’état d’ionisation des résidus His57 et Asp102 de la triade catalytique, les pKa de ces résidus dans l’enzyme libre valant respectivement 7 et approximativement 4. Les paramètres thermodynamiques de l’interaction α-chymotrypsine - proflavine et des différents équilibres de protonation/déprotonation qui y sont liés ont été obtenus par spectroscopie d’absorption et ITC. Cette dernière technique constitue un outil précieux pour l’étude d’interactions moléculaires car il s’agit de la seule technique expérimentale permettant la mesure directe de l’enthalpie d’interaction. Lorsque des équilibres de protonation/déprotonation sont thermodynamiquement liés à l’interaction, il s’agit également de la seule technique permettant la quantification de ces effets. En mesurant la constante d’affinité et l’enthalpie d’interaction observées à différents pH et dans différents tampons, nous avons pu, sur base du modèle obtenu par RMN, déterminer les paramètres thermodynamiques intrinsèques des différents équilibres. La corrélation entre les données thermodynamiques obtenues par ITC et spectroscopie d’absorption et les données structurales obtenues par RMN et sur base de l’analyse du modèle du complexe d’interaction, nous a permis de rationaliser les facteurs à la base de l’interaction préférentielle de l’inhibiteur avec une des formes de l’enzyme. L’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine est la plus favorable lorsqu’à la fois l’His57 et l’Asp102 sont déprotonnés. Cette interaction est caractérisée par un terme enthalpique favorable et un terme entropique légèrement défavorable. Ce dernier terme s’expliquerait en partie par l’immobilisation dans le site d’interaction de plusieurs molécules d’eau. L’affinité entre l’α-chymotrypsine et la proflavine diminue lorsque l’His57 se protonne. La répulsion électrostatique entre les charges positives de la proflavine et de l’His57 est vraisemblablement un des facteurs permettant d’expliquer cette diminution de la constante d’affinité. Nous n’avons pu mettre en évidence d’interaction entre ces deux molécules dès lors que l’Asp102 est protonné, malgré que ce résidu soit situé relativement loin de la proflavine dans le complexe. Il s’agit donc d’un effet indirect, probablement relayé par l’His57. Tant que l’Asp102 est déprotonné, sa charge négative compenserait la charge positive de l’His57 et réduirait la répulsion électrostatique avec la proflavine, ce qui n’est plus le cas lorsque l’aspartate se protonne.

Le projet de cette thèse était l'évaluation du processus de réactivation et l'étude du site actif de l'AChE inhibée par un agent neurotoxique par des méthode computationnelles. L'objectif était de guider le design rationnel de nouveau réactivateurs. Une étude initiale avec un modèle QM tronqué a indiqué la nécessité de modéliser l'environnement enzymatique pour compenser la charge du Glu334. Elle a aussi confirmé le rôle du trou oxyanionique dans la stabilisation des états de transition de la réactivation. Des simulations QM/MM de la réactivation par le réactivateur classique 2-PAM, ainsi que par deux réactivateurs au coeur aromatique non chargé ont été effectuées. Il a été démontré que le Glu202, un résidu à proximité de la triade catalytique de l'AChE, doit être protoné pour que la réactivation ait lieu. Ces simulations ont aussi montré que le réactivateur peut être déprotoné dans le site actif de l'AChE par His447. Les réactivateurs au coeur aromatique non chargé sont plus nucléophiles que la 2-PAM et l'un d'entre eux est plus aisément déprotoné dans le site actif. Nos résultats indiquent que la capacité d'un réactivateur à être facilement déprotoné est plus importante que sa nucléophilie. Enfin, un mécanisme de migration de protons a été identifié par des calculs QM/MM et EVB. Il implique deux glutamates derrière le site actif, Glu450 et Glu452. La possibilité que ces deux protons soient temporairement protonés et donc impliqués dans une migration de protons a été confirmé par des calculs CpHMD. La migration de proton passe par la N-protonation d'une liaison amide, ce qui constitue un nouveau mécanisme. / The project of this PhD was to investigate the reactivation process and the active site of nerve agent inhibited AChE by computational methodologies to gain insight about the rational design of new reactivators. An initial truncated QM model study provided some insight in the necessary compensation of Glu334 by the enzyme. It also confirmed the role of the oxyanionic hole in the stabilization of the transition state of the reactivation. QM/MM simulations of the reactivation with classical reactivator 2-PAM, as well as two non-pyridinium reactivators, were performed. It was shown that Glu202, a residue near the catalytic triad of AChE, needs to be protonated for the reactivation to occur. Those simulations also showed that the reactivator can be deprotonated in the active site of AChE by His447. Non-pyridinium reactivator were found to have a greater nucleophilicity than 2-PAM and, for one of them, to be easily deprotonated in the active site. Our results indicate that the capacity of a reactivator to be deprotonated in the active site of the enzyme is more important than its nucleophilicity. Finally, a proton relay mechanism was identified through QM/MM and EVB simulations. It involves two glutamate residues, Glu450 and Glu452, positioned behind the active site. The potential for these two residues to be transiently protonated and thus involved in a proton relay was confirmed by CpHMD simulations. This proton relay mechanism relies on the N-protonation of an amide which is a novel mechanism.

Le nombre de cibles potentielles pour la conception de nouvelles molécules à activité thérapeutique ne cesse de croître. Pour chaque cible, il est nécessaire d’identifier des molécules actives et de les optimiser afin d’atteindre l’affinité et la sélectivité recherchées. Ces nouveaux défis accentuent la nécessité d’améliorer notre compréhension des facteurs qui mènent à la reconnaissance moléculaire entre une drogue potentielle et une macromolécule biologique, et particulièrement des facteurs énergétiques à la base de la stabilisation d’un complexe d’interaction. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’effet que pouvaient avoir les équilibres de protonation/déprotonation des résidus ionisables d’une protéine sur les paramètres thermodynamiques caractérisant la complexation d’un ligand. Dasns ce but, nous avons étudié l’interaction entre l’α-chymotrypsine et un de ses inhibiteurs compétitifs, la proflavine. Cette protéine est représentative d’un nombre important d’enzymes présentant le même mécanisme catalytique. La compréhension des facteurs qui régissent les équilibres de protonation/déprotonation des résidus ionisables présents dans son site actif ainsi que de l’effet sur ceux-ci de l’interaction avec des ligands est d’une importance primordiale pour le développement d’inhibiteurs plus sélectifs de ces protéases.<p>Cette étude s’est essentiellement composée de trois volets. (i) La réalisation d’un modèle du complexe d’interaction afin de confronter des données structurales aux données expérimentales recueillies. (ii) L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) afin de mettre en évidence les résidus ionisables dont les équilibres de protonation/déprotonation sont influencés par la complexation du ligand. (iii) L’étude de la thermodynamique de l’interaction par Calorimétrie à Titrage Isotherme (ITC) et spectroscopie d’absorption en fonction de l’état d’ionisation des résidus identifiés par l’étude RMN.<p>Le modèle du complexe d’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine a été réalisé sur base de la structure cristallographique du complexe entre cet inhibiteur et une protéase apparentée à la chymotrypsine, la thrombine. Il ressort de l’analyse du modèle obtenu que la proflavine est profondément enfouie dans le subsite S1 de l’enzyme et présente une très grande complémentarité de surface avec cette poche hydrophobe. Nous avons également pu constater la présence de plusieurs molécules d’eau immobilisées au sein du complexe, et d’une molécule en particulier faisant office de relais de liens-H.<p>L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par RMN du 1H a été précédée par une étude de l’effet du degré de maturité de l’enzyme sur les interactions liant les différents résidus composant la triade catalytique (Asp102, His57 et Ser195). Lors de l’activation du précurseur inactif de l’enzyme, le chymotrypsinogène, vers la forme mature, l’α-chymotrypsine, il semble en effet que le lien-H entre le NH&949;2 de l’His57 et le Oγ de la Ser195 soit affaibli, contrairement à celui qui relie le NHδ1 de cette même histidine au Oδ1 de l’Asp102. Nous rapportons pour la première fois l’observation de l’influence de la protonation de l’Asp102 sur les déplacements chimiques des protons NHδ1 et NH&949;2 de l’His57. L’étude de l’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine par RMN, nous a permis de mettre en évidence l’effet de la complexation du ligand sur l’état d’ionisation des résidus His57 et Asp102 de la triade catalytique, les pKa de ces résidus dans l’enzyme libre valant respectivement 7 et approximativement 4.<p>Les paramètres thermodynamiques de l’interaction α-chymotrypsine - proflavine et des différents équilibres de protonation/déprotonation qui y sont liés ont été obtenus par spectroscopie d’absorption et ITC. Cette dernière technique constitue un outil précieux pour l’étude d’interactions moléculaires car il s’agit de la seule technique expérimentale permettant la mesure directe de l’enthalpie d’interaction. Lorsque des équilibres de protonation/déprotonation sont thermodynamiquement liés à l’interaction, il s’agit également de la seule technique permettant la quantification de ces effets. En mesurant la constante d’affinité et l’enthalpie d’interaction observées à différents pH et dans différents tampons, nous avons pu, sur base du modèle obtenu par RMN, déterminer les paramètres thermodynamiques intrinsèques des différents équilibres.<p>La corrélation entre les données thermodynamiques obtenues par ITC et spectroscopie d’absorption et les données structurales obtenues par RMN et sur base de l’analyse du modèle du complexe d’interaction, nous a permis de rationaliser les facteurs à la base de l’interaction préférentielle de l’inhibiteur avec une des formes de l’enzyme. L’interaction entre l’α-chymotrypsine et la proflavine est la plus favorable lorsqu’à la fois l’His57 et l’Asp102 sont déprotonnés. Cette interaction est caractérisée par un terme enthalpique favorable et un terme entropique légèrement défavorable. Ce dernier terme s’expliquerait en partie par l’immobilisation dans le site d’interaction de plusieurs molécules d’eau. L’affinité entre l’α-chymotrypsine et la proflavine diminue lorsque l’His57 se protonne. La répulsion électrostatique entre les charges positives de la proflavine et de l’His57 est vraisemblablement un des facteurs permettant d’expliquer cette diminution de la constante d’affinité. Nous n’avons pu mettre en évidence d’interaction entre ces deux molécules dès lors que l’Asp102 est protonné, malgré que ce résidu soit situé relativement loin de la proflavine dans le complexe. Il s’agit donc d’un effet indirect, probablement relayé par l’His57. Tant que l’Asp102 est déprotonné, sa charge négative compenserait la charge positive de l’His57 et réduirait la répulsion électrostatique avec la proflavine, ce qui n’est plus le cas lorsque l’aspartate se protonne. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les cibles actives sont des outils parfaitement adaptés à l'étude des réactions induites par les faisceaux d'ions radioactifs de très basse intensité. Elles permettent en outre d'étudier simultanément les réactions directes et celles qui sont pour lesquelles un noyau composé est formé. La cible active MAYA, développée au GANIL, a été utilisée afin d'étudier les réactions induites par un faisceau de 11Li de 4.3A MeV, auprès de l'accélérateur ISAC2, à TRIUMF (Canada). Les distributions angulaires pour les réactions de diffusion élastique et de transfert d'un et deux neutrons ont ainsi été reconstruites. La distribution angulaire de la réaction de diffusion élastique montre une augmentation de l'absorption du flux par rapport aux noyaux voisins. Une analyse en canaux couplés pour la réaction de transfert de deux neutrons, pour différents modèles à trois corps, a permis d'extraire des informations sur la spectroscopie du halo du noyau borroméen 11Li. En parallèle, nous avons étudié la dépendance en énergie de la réaction de diffusion élastique en utilisant la cible active MAYA comme cible épaisse. Le spectre extrait montre une résonance vers 3 MeV centre de masse. Cette résonance pourrait être un état isobarique analogue du 12Li, observé dans le 12Be. Nous avons procédé à des calculs en matrice R afin d'extraire les paramètres (spin et parité) de cet état.

Une des meilleures sources d’énergie verte serait d’être capable de casser une molécule d’eau à partir du rayonnement visible fourni par le soleil, afin de générer du H$_2$. L’eau présente le don d’ubiquité sur terre puisqu’elle est présente, sous ses trois phases, dans les océans, la terre et l’atmosphère. Cependant, une énergie de 6.66 eV (VUV) est nécessaire pour rompre directement une des liaisons covalentes de l’eau. Dans ce travail, nous montrons qu’il est possible de dissocier l’eau si celle-ci est associée à un catalyseur photosensible de nature organique, dont les prototypes absorbent dans l’UV, comme la Pyridine (Py). Un récent travail théorique prédit que la Py peut jouer le rôle de ce photocatalyseur, suivant la réaction : Py-H$_2$O + h$\nu_1 \to$ Py*-H$_2$O $\to$ PyH$\bullet$ + OH$\bullet$Pour tester ce modèle théorique nous avons étudié le complexe Py-eau isolé dans un cluster moléculaire froid. Nous avons caractérisé la spectroscopie électronique du PyH$\bullet$ en phase gazeuse et nous avons mis en évidence cette réaction de photodissociation par irradiation UV de clusters Py-(H$_2$O)$_n$. Nous avons aussi testé ce système en matrices cryogéniques pour évaluer l’effet de la solvatation solide. La dernière étape du processus, la régénération du photocatalyseur par absorption d’un deuxième photon UV (PyH$\bullet$ + h$\nu \to$ Py + H$\bullet$) à été aussi prouvé. Il semblerait que seuls les radicaux PyH$\bullet$ chauds soient capables d’engendrer cette dernière réaction.A l’heure actuelle, nous explorons de nouveaux systèmes moléculaires prototypes susceptibles de conduire au même phénomène. / A major challenge to generate green energy from sunlight would be to split water which is a ubiquitous molecule to produce H$_2$. However VUV light (6.66 eV) is needed to dissociate the H-OH covalent bond. In this work we will show that it is possible to dissociate water via photo-sensitisation with UVC light, using a simple organic catalyst.Recently, ab-initio calculations predict that pyridine (Py) can act as a photo-catalyst to split water by absorption of a UV photon, following the reaction:Py-H$_2$O + h$\nu_1 \to$ Py*-H$_2$O $\to$ PyH$\bullet$ + OH$\bullet$ To test this prediction, we studied the Py-H$_2$O complex in isolated cold molecular cluster and the system trapped in cryogenic matrices. We characterized the electronic spectroscopy of the PyH$\bullet$ in the gas phase and we evidenced the reaction through UV excitation of Py-(H$_2$O) $_n$ clusters. We have evidenced that the reaction leads PyH$\bullet$ as photoproduct of the reaction. We also evidenced that the surrounding conditions play an important role in the reaction.We have demonstrated that the UV excitation of Py-water clusters leads to the formation of PyH$\bullet$, thus we have evidenced the water splitting reaction. The last step of the process, that is the regeneration of the catalyst by absorption of a second UV photon (PyH$\bullet$ + h$\nu \to$ Py + H$\bullet$) has been studied and it seems that only hot PyH$\bullet$ molecules are able to follow this channel. In the present, we are studying other aromatic molecules which are expected to lead the photochemical dissociation of water.

Cette thèse porte sur l'étude de l'enthalpie de dissolution du dioxyde de carbone dans des solutions aqueuses d'amine. Pour développer des modèles théoriques décrivant les systèmes (CO2-amine-eau) pour les conditions appliquées aux procédés industriels, il est nécessaire d'avoir des données expérimentales reliant la solubilité et l'enthalpie. Dans cette étude, nous avons utilisé une unité de mélange construite au laboratoire que nous avons adapté à un calorimètre SETARAM C-80 pour mesurer l'enthalpie de solution du CO2 dans cinq solutions aqueuses d'amine, (la 2-Amino-2-méthyl-1-propanol (AMP), la monoéthanolamine (MEA), la diéthanolamine (DEA), la triéthanolamine (TEA) et la méthyldiéthanolamine (MDEA) (15 et 30 mass%) à des températures comprises entre 322.5 K et 372.9 K et des pressions allant de 0.5 à 5 MPa. Les données de la littérature ont été utilisées pour ajuster deux modèles thermodynamiques d'équilibre de phases (un simple et un rigoureux). Le premier modèle résume l'absorption du CO2 par une seule réaction, tandis que le second prend en compte toutes les réactions à l'équilibre. Le modèle simple reproduit nos enthalpies expérimentales à plus ou moins 10%, tandis que le modèle rigoureux reproduit nos données avec un écart compris entre 5 et 20% selon l'amine considérée. Le calcul de l'enthalpie dans le modèle rigoureux est fortement dépendant des données de la littérature utilisées pour la réaction de protonation de l'amine. Ceci souligne la nécessité d'acquérir de nouvelles données expérimentales sur ces constantes d'équilibre pour améliorer le modèle.

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs. / The nature of acids in an aqueous environment is fundamental to many aspects of chemistry and biology. The defining feature of an acid is its ability to transfer a proton to water or to any accepting base, but this seemingly simple process can be complex and highly dependent on the solvation involving different reaction intermediate species. This thesis describes computational studies based on first principles molecular dynamics simulations aimed at obtaining molecular-level descriptions of diverse proton transfer process involving acids and bases in liquid water. For that, we have investigated a variety of systems including aqueous hydrofluoric acid, aqueous trifluoroacetic acid and a model system comprising of a phenol and a carboxyate molecule bridged by a water molecule in aqueous solution. Two different intermediate stages of proton transfer from an acid were identified which are found to be stabilized by distinct local H-bond solvation pattern. Their spectroscopic signatures were characterized using infrared spectroscopy computed from first principles molecular dynamics simulations which incorporate nuclear quantum effects explicitly. This study also identified three elementary reaction pathways that are responsible for proton translocation from acid to the base and their characteristic time scales. Conclusions drawn from this study are discussed in molecular detail, highlighting experimental comparisons.

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs. / The nature of acids in an aqueous environment is fundamental to many aspects of chemistry and biology. The defining feature of an acid is its ability to transfer a proton to water or to any accepting base, but this seemingly simple process can be complex and highly dependent on the solvation involving different reaction intermediate species. This thesis describes computational studies based on first principles molecular dynamics simulations aimed at obtaining molecular-level descriptions of diverse proton transfer process involving acids and bases in liquid water. For that, we have investigated a variety of systems including aqueous hydrofluoric acid, aqueous trifluoroacetic acid and a model system comprising of a phenol and a carboxyate molecule bridged by a water molecule in aqueous solution. Two different intermediate stages of proton transfer from an acid were identified which are found to be stabilized by distinct local H-bond solvation pattern. Their spectroscopic signatures were characterized using infrared spectroscopy computed from first principles molecular dynamics simulations which incorporate nuclear quantum effects explicitly. This study also identified three elementary reaction pathways that are responsible for proton translocation from acid to the base and their characteristic time scales. Conclusions drawn from this study are discussed in molecular detail, highlighting experimental comparisons.