Les techniques de diffusion incohérente élastique et quasiélastique de neutrons ont été utilisées pour mesurer la dynamique de la protéine et de l'eau cellulaire sur les échelles de quelques picosecondes et de quelques Ångstroms. La dynamique de l'hémoglobine a été mesurée dans les globules rouges, in vivo. La dynamique interne de la protéine montre un changement de régime à 36.9°C, la température physiologique. À des températures plus élevées que la température physiologique, les chaînes latérales des amino acides occupent des volumes plus grands que prévu par la dépendance normale sur la température. La diffusion globale de l'hémoglobine a été interprétée avec la théorie pour la diffusion des particules colloïdales à temps de courte durée. L'influence de l'hydratation sur la dynamique de l'hémoglobine a été étudiée avec la diffusion de neutrons. Les temps de résidence entre les sauts locaux dans l'ordre de quelques picosecondes sont réduits en solution concentrée et augmentés en poudre d'hémoglobine hydratée. La transition dans la géométrie des mouvements internes à la température du corps a été trouvée dans la solution concentrée, mais pas dans la poudre hydratée. Il a été conclu que les poudres hydratées ne représentent pas un bon modèle pour la dynamique de la protéine dans l'ordre de quelques picosecondes, qui est corrélée à la fonction biologique. La dynamique de l'eau cellulaire dans les globules rouges a été mesurée avec la technique de diffusion incohérente quasiélastique de neutrons. Une fraction de l'eau cellulaire d'environ 90% est caractérisée par un coefficient de diffusion translationnel similaire à celui de l'eau volumique. Les 10% restant présentent une dynamique ralentie de façon significative. La fraction ralentie a été attribuée à l'eau en interaction avec l'hémoglobine. Elle correspond à environ la moitié de l'eau dans la première couche d'hydratation de la protéine.

Dans les zones aurorales, d'importantes quantités d'énergie sont déposées dans la haute atmosphère terrestre par les particules énergétiques et par les champs électriques d'origine magnétosphérique. Ces entrées d'énergie, très variables dans le temps et l'espace, s 'ajoutent à l'énergie déposée par le rayonnement EUV et UV solaire, prlncipale source d'énergie de la thermosphère des moyennes latltudes . Elles peuvent modifier la composition et la circulation de l'atmosphère neutre et ionisée au dessus de 90 Km d'altitude environ. La technique de diffusion incohérente, avec les radars de Chatanika en Alaska et EISCAT en Scandinavie, est utilisée pour étudier la température et la densité neutre à la base de la thermosphère et la composition ionique de la région F1 en zone aurorale, pendant les periodes calmes et perturbées

Ce travail de cette thèse porte sur la dynamique des protéines, accompagnées de leur eau d'hydratation, une couche de solvant autour des protéines vitale pour leur fonction biologique. Chacune de ces deux composantes s'accompagne d'une dynamique qui lui est propre et dont la réunion reforme le paysage énergétique du système biologiquement actif. La mise en application conjointe de la deutération sélective, de la diffusion incohérente de neutrons ainsi que la spectroscopie terahertz a permis d'explorer de manière indépendante la dynamique des protéines et de celles des couches d'hydratation. L'influence de l'état de repliement de la protéine sur sa dynamique a été étudié par diffusion élastique de neutrons. Les protéines globulaires se sont montrées moins dynamiques que ses analogues intrinsèquement désordonnées. Eux même semblent être plus rigides que les protéines dépliées non physiologiques. L'état d'oligomérisation et les conséquences sur la dynamique de ces protéines ont été développés. Les agrégats d'une protéine globulaire se sont avérés être plus flexibles que la forme soluble. A l'inverse, les agrégats d'une protéine désordonnée voient leur dynamique moyenne baisser par rapport à la forme soluble. Ces observations témoignent de la grande diversité de dynamiques à travers le protéome. Les expériences de diffusion incohérente de neutrons sur les couches d'hydratation des protéines globulaires et désordonnées ont permis d'obtenir des informations sur la nature des mouvements de l'eau autour des protéines. Les mesures ont mis en évidence la présence de mouvements translationnels concomitants à l'apparition de la transition dynamique dans les couches d'hydratations, vers 220 K. Les mesures ont de même montré un couplage plus fort entre une protéine désordonnée et son eau d'hydratation que celui entre une protéine globulaire et son eau d'hydratation. La nature de la couche d'hydratation et son influence sur sa dynamique ont été explorés, avec l'utilisation de polymères qui miment le comportement de l'eau et agissent comme source de flexibilité pour la protéine. Pour terminer, la dynamique des groupements méthyles, impliqués dans les modifications dynamiques observées à 150 et 220 K, a été étudiée. / This thesis work focused on the dynamics of proteins, surrounded by their hydration layer, a water shell around the protein vital for its biological function. Each of these components is accompanied by a specific dynamics which union reforms the complex energy landscape of the system. The joint implementation of selective deuteration, incoherent neutron scattering and terahertz spectroscopy allowed to explore the dynamics of proteins and that of the hydration shell. The influence of the folding state of protein on its dynamics has been studied by elastic neutron scattering. Globular proteins were less dynamic than its intrinsically disordered analogues. Themselves appear to be stiffer than non physiological unfolded proteins. The oligomerization state and the consequences on the dynamics were investigated. Aggregates of a globular protein proved to be more flexible than the soluble form. In contrast, aggregates of a disordered protein showed lower average dynamics compared to the soluble form. These observations demonstrate the wide range of dynamics among the proteome. Incoherent neutron scattering experiences on the hydration layer of globular and disordered proteins have yielded information on the nature of water motion around these proteins. The measurements revealed the presence of translational motions concomitant with the onset of the transition dynamics of hydration layers, at 220 K. Measurements have also shown a stronger coupling between a disordered protein and its hydration water, compared to a globular protein and its hydration shell. The nature of the hydration layer and its influence on its dynamics has been explored with the use of polymers that mimic the water behavior and that act as a source of flexibility for the protein. Eventually, the dynamics of methyl groups involved in the dynamical changes observed at 150 and 220 K, was investigated.

L'objectif de la thèse était d'étudier la dynamique des molécules biologiques in vivo, sur l'échelle de la pico- à la nanoseconde (ps-ns), en combinant la diffusion incohérente de neutrons et le marquage isotopique hydrogène/deutérium.<br /> Les mouvements diffusifs de l'eau ont été explorés dans le cytoplasme d'E. coli. L'étude a établi que la diffusion de l'eau intracellulaire est similaire à celle de l'eau pure, à température physiologique. Ce travail infirme le paradigme établi, selon lequel l'eau cellulaire est fortement ralentie par l'encombrement macromoléculaire.<br /> Les mouvements moléculaires internes et la diffusion globale des macromolécules ont été étudiés in vivo. Les résultats montrent que la proportion d'eau intracellulaire est un facteur déterminant dans la dynamique interne des macromolécules in vivo. L'encombrement macromoléculaire atténue cependant l'effet lubrifiant de l'eau sur les mouvements moléculaires internes. L'étude témoigne du fait que les échantillons standards (poudres et solutions) ne miment pas l'environnement physiologique.<br /> L'effet isotopique du solvant et l'influence de la deutériation sur la dynamique macromoléculaire moyenne, ont été explorés in vivo. Les macromolécules natives sont moins flexibles et moins résilientes en D2O. La deutériation augmente légèrement la flexibilité structurale et diminue faiblement la résilience, ce qui suggère que l'utilisation du marquage isotopique est justifiée pour les études dynamiques.<br /> Ce travail souligne l'importance du contrôle négatif lors des mesures sur des échantillons sélectivement marqués et montre qu'un taux de marquage conséquent (> 10 %) est nécessaire pour observer la dynamique d'un composant spécifique.

Ce travail de cette thèse porte sur la dynamique des protéines, accompagnées de leur eau d'hydratation, une couche de solvant autour des protéines vitale pour leur fonction biologique. Chacune de ces deux composantes s'accompagne d'une dynamique qui lui est propre et dont la réunion reforme le paysage énergétique du système biologiquement actif. La mise en application conjointe de la deutération sélective, de la diffusion incohérente de neutrons ainsi que la spectroscopie terahertz a permis d'explorer de manière indépendante la dynamique des protéines et de celles des couches d'hydratation. L'influence de l'état de repliement de la protéine sur sa dynamique a été étudié par diffusion élastique de neutrons. Les protéines globulaires se sont montrées moins dynamiques que ses analogues intrinsèquement désordonnées. Eux même semblent être plus rigides que les protéines dépliées non physiologiques. L'état d'oligomérisation et les conséquences sur la dynamique de ces protéines ont été développés. Les agrégats d'une protéine globulaire se sont avérés être plus flexibles que la forme soluble. A l'inverse, les agrégats d'une protéine désordonnée voient leur dynamique moyenne baisser par rapport à la forme soluble. Ces observations témoignent de la grande diversité de dynamiques à travers le protéome. Les expériences de diffusion incohérente de neutrons sur les couches d'hydratation des protéines globulaires et désordonnées ont permis d'obtenir des informations sur la nature des mouvements de l'eau autour des protéines. Les mesures ont mis en évidence la présence de mouvements translationnels concomitants à l'apparition de la transition dynamique dans les couches d'hydratations, vers 220 K. Les mesures ont de même montré un couplage plus fort entre une protéine désordonnée et son eau d'hydratation que celui entre une protéine globulaire et son eau d'hydratation. La nature de la couche d'hydratation et son influence sur sa dynamique ont été explorés, avec l'utilisation de polymères qui miment le comportement de l'eau et agissent comme source de flexibilité pour la protéine. Pour terminer, la dynamique des groupements méthyles, impliqués dans les modifications dynamiques observées à 150 et 220 K, a été étudiée.

Les études de l'atmosphère neutre et ionisée de la terre ont connu un très grand développement dans les deux dernières décades grâce aux progrès des techniques spatiales (mesures in situ) et des moyens de sondage à distance (optique, radars). Pendant cette même période, le sondage de l'ionosphère par la technique de la diffusion incohérente en particulier a amené des progrès considérables dans la mesure des paramètres de l'environnement terrestre. La construction et l'exploitation de plusieurs stations radar dans le monde (ARECIBO à Puerto Rico, CHATANIKA à Alaska,U.S.A., JICAMARCA au Pérou, MILLSTONE HILL à Mass., U.S.A., ST. SANTIN (France), MALVERN (Grande Bretagne) prouvent l'intérêt et l'efficacité de cette technique. Ainsi il a été possible de mesurer de nombreux paramètres ionosphériques, tels que la densité électronique, les températures électroniques et ioniques, la composition ionique, la vitesse ionique et la fréquence des collisions ion-neutres (dans la région E) à plusieurs altitudes de la région E et F pratiquement en même temps (selon le système de mesure). Ces mesures ont permis d'étudier entr'autres la structure thermique, la dynamique et l'électrodynamique de l'atmosphère. Contrairement aux expériences mettant en oeuvre des véhicules spatiaux, le sondeur à diffusion incohérent, siation fixe au sol, permet de suivre les variations temporelles dans une zone de l'ionosphère fixe par rapport à la terre. De plus, avec certains instruments, on peut sonder une zone étendue en longitude et en latitude (ARECIBO, CHATANIKA, MILLSTONE HILL). L'étude de la physique de l'ionosphère et de l'atmosphère neutre à partir des données mesurées par les techniques énumérées ci-dessus, s'effectue suivant des lois physiques qui varient en fonction de la gamme d'altitude étudiée. Dans notre travail nous avons utilisé la technique de la diffusion incohérente appliquée à la raie de plasma pour étudier la distribution du flux d'électrons suprathermiques. Pour les mesures en moyenne latitude, nous avons utilisé la station de ST. SANTIN (France) et en haute latitude le travail a été effectué à CHATANIKA (Alaska).

En période magnétiquement perturbée il est nécessaire de considérer une fonction de distribution des vitesses ioniques non-Maxwellienne, si l'on veut pouvoir estimer correctement les paramètres ionosphériques de l'ionosphère aurorale, mesurés par diffusion incohérente. Nous avons comparé deux modèles de fonction de distribution non-Maxwellienne : l'approximation polynomiale généralisée qui est une solution analytique de l'équation de Boltzmann et une distribution numérique basée sur une méthode Monte Carlo. Ces deux approches conduisent, pour les deux espèces ioniques 0+ et NO+, à des résultats semblables lors de champs électriques inférieurs à 100 m V lm. La fonction analytique a été introduite dans l'analyse des spectres EISCAT afin d'étudier l'ionosphère sous des champs électriques pouvant atteindre 100 m V /m. Cette nouvelle analyse a, dans un premier temps, été testée sur plusieurs jeux de simulations avec notamment des études de sensibilité aux modèles utilisés. Dans une seconde étape, nous avons étudié des spectres présentant des caractéristiques non-Maxwelliennes et avons ainsi déterminé la composition de l'ionosphère sous forts champs électriques. Enfin avec une dernière série de données réelles nous avons estimé quantitativement l'erreur commise lors d'une interprétation "Maxwellienne" de spectres non-Maxwelliens dans le cas d'une ionosphère composée d'ions moléculaires.