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.

L'encapsulation de protéines pose de nombreuses difficultés liées à leurs propriétés physicochimiques, leur sensibilité aux conditions environnementales et opératoires. La structure 3D spécifique de chaque protéine étant directement liée à son activité biologique, un contrôle de l'intégrité protéique est indispensable pour assurer l'efficacité et la sécurité des systèmes formulés. Dans cet optique, l'encapsulation par émulsion multiple a été appliquée à une protéine modèle : la myoglobine (Mb). Le but de cette thèse a été l'étude du procédé d'encapsulation à travers 3 objectifs. Le premier fut d'étudier l'influence de paramètres de formulation sur les propriétés des particules obtenues et sur la conformation de la Mb. Les mesures en spectrométrie UV/Vis. et le calcul des principaux rapports d'absorbance ont constitué une méthode de contrôle fiable et rapide. Le second fut de valider la pertinence et de montrer les limites de cette méthode en la comparant à une seconde méthode utilisant des mesures conductimétriques. Enfin, l'étape de solidification des particules par élimination du solvant ainsi que le changement de solvant ont été étudiés.. Des microsphères creuses de 15μm avec un rendement d'encapsulation de 36% ont pu être obtenues tout en maintenant la conformation native de la Mb. L'emploi de polymère de masse moléculaire élevée et un taux d'élimination de solvant trop rapide sont 2 paramètres altérants significativement la protéine. Ces travaux ouvrent la voie au développement de transporteurs d'O2 utilisables par exemple dans le cas de pathologies musculaires / Protein encapsulation results in several problems related to their physicochemical properties, their sensitivity to environmental conditions and operating procedures. The specific 3D structure being directly linked to their biological activity, monitoring of protein integrity is crucial to ensure the efficacy and security of formulations. In this context, the multiple emulsion method was applied to a model protein: myoglobin (Mb). The aim of this thesis was to study the encapsulation process through 3 objectives. The first was to study the influence of formulation parameters on the particle properties and the conformation of Mb. Measurements by UV/Vis. spectrometry and calculation of key absorbance ratios established a reliable and rapid method for protein monitoring. The second was to validate the pertinence and show the limits of this method by comparing it to a second one using conductimetry measurements. Finally, the particle solidification by solvent removal and the solvent exchange were studied. The process maintains the Mb native conformation in Hollow microspheres of 15μm in diameter and an encapsulation efficiency of 36% were obtained, while keeping intact the Mb native conformation. The use of high molecular weight polymer and a fast solvent removal rate are 2 parameters inducing significant protein alteration. This work paves the way for the development of O2 carriers for muscular diseases for example

Cette thèse s’inscrit dans une volonté d’améliorer la compréhension des mécanismes fondamentaux de radiolyse de biomolécules par des ions accélérés, à l’échelle moléculaire. Ainsi, les ions étudiés ont été de différentes nature (H+, He2+, C6+) et de différentes énergies, correspondant à une gamme de densité de dépôt d’énergie allant de 0,3 à 1000 eV/nm.Dans le vivant, l’eau ayant une place prépondérante, la compréhension de la radiolyse de l’eau est essentielle. L’espèce la plus réactive produite en milieu aéré, le radical hydroxyle (HO•) a été quantifiée en utilisant une sonde spécifique, l’acide 3-coumarine-carboxylique.Les dégâts indirects aux biomolécules, via les espèces issues de la radiolyse de l’eau, ont été étudiés en solution aqueuse diluée sur deux systèmes : un acide aminé, la phénylalanine et une protéine, la myoglobine. Les effets directs de radiolyse ont été étudiés sur la myoglobine en gels concentrés hydratés. Les phénomènes de radiolyse ont été caractérisés pour décrire les mécanismes en jeu et les produits issus de la radiolyse de la phénylalanine ont été systématiquement identifiées et quantifiées. / The goal of this thesis is to achieve a better understanding of fundamental mechanisms of the radiolysis of biomolecules by accelerated ions, at the molecular scale. To do so, different type of ions have been used (H+, He2+, C6+) at various energies, corresponding to densities of energy deposition from 0,3 to 1000 eV/nm.The main component in biological systems is water. Therefore, the comprehension of the water radiolysis under ions irradiation is essential. One of the most reactive species produced in aerated conditions, the hydroxyl radical (HO•), has been quantified using a specific probe, the 3- carboxylic acid coumarin.Indirect effects of radiolysis on biomolecules, involving water radiolysis species, have been studied in dilute aqueous solutions on two different systems: phenylalanine, an amino acid, and a protein, myoglobin. Direct radiolysis effect were studied on concentrated hydrogels of myoglobin ad other proteins. Elucidation of radiolysis mechanisms and quantification of phenylalanine radiolysis products were systematically performed.

A l'heure actuelle la recherche de nouvelles ressources énergétiques est un domaine en plein développement. Dans ce cadre, l'hydrogène moléculaire y a toute sa place et sera un vecteur énergétique majeur du XXIème siècle en permettant le stockage des énergies renouvelables. Cependant son utilisation est pour l'instant limitée à cause du coût élevé de sa production, industriellement basée sur le platine comme catalyseur. Un des enjeux majeurs de ce siècle est donc de trouver de nouveaux catalyseurs performants pour la production d'hydrogène et dont le coût soit suffisamment faible pour permettre un développement industriel. Les hydrogénases sont des enzymes catalysant la réduction de protons en hydrogène avec une grande efficacité et en conditions douces. Leurs sites actifs sont basés sur des métaux abondants comme le nickel ou le fer et ont des activités similaires au platine dans certaines conditions. Cependant quelques inconvénients, comme leur inactivation par l'oxygène ou encore le fait qu'il soit assez difficile de les produire sous forme active, limitent leur utilisation technologique. Dans ce contexte, la chimie bio-inspirée et la chimie biomimétique sont particulièrement prometteuses : prenant exemple sur la nature et plus particulièrement sur les sites actifs enzymatiques, elles permettent de développer de nouvelles familles de catalyseurs. On a pu ainsi développer des complexes dinucléaire nickel-fer ou encore des complexes de cobalt ayant une activité dans la catalyse de réduction de protons. Certains complexes de cobalt, les cobaloximes et les complexes diimine dioxime de cobalt ont ainsi montré de bonnes activités dans la réduction de protons en milieux organiques ou mixtes organiques/eau. Jusqu'alors cependant peu d'études ont été effectuées en milieux complétement aqueux. Nous pouvons aller plus loin dans cette démarche via une approche dite biosynthétique, qui vise à incorporer des catalyseurs inorganiques dans des enveloppes protéiques. Ces enveloppes protéiques peuvent, par différentes interactions, potentiellement améliorer la solubilité et la stabilité dans l'eau des catalyseurs inorganiques. La thèse qui suit se concentre sur cette approche et plus particulièrement sur la production, la caractérisation et l'étude de nouveaux hybrides entre différentes hémoprotéines (myoglobine et hème oxygénase en particulier) et différents complexes de cobalt (cobaloximes et complexe diimine dioxime de cobalt). Après avoir mis au point un protocole pour la production et la purification de la myoglobine de cachalot sans son cofacteur héminique, nous nous sommes intéressés à préparer et caractériser différents hybrides. Nous avons pu montrer par ce travail que les hémoprotéines dépourvues de leur cofacteur biologique ont une affinité particulière pour les complexes de cobalt et que la coordination de ces complexes inorganiques se fait via une seule histidine de la protéine hôte. Les hybrides ainsi obtenus ont montré une grande stabilité en solution. En plus de l'ajout d'un ligand histidine en axial du cobalt, l'enveloppe protéique permet de moduler la seconde sphère de coordination. Nous avons pu montrer au cours de ce projet que la nature de la protéine hôte module les caractéristiques spectroscopiques et électrochimiques du complexe de cobalt. Enfin ces hybrides ont montré d'une manière générale une activité catalytique pour la production et la photoproduction d'hydrogène dans l'eau, là encore avec une nette influence de la protéine hôte sur l'activité du complexe. Nous avons donc au cours de cette thèse préparé et caractérisé des systèmes hybrides pouvant être qualifiés d'hydrogénases artificielles.

Le transfert de ligands (de petites molécules telles que l'oxygène, NO, CO ou CN) dans les hémoprotéines est un processus situé au cœur de nombreuses fonctions biologiques : stockage et transport de ligands, catalyse enzymatique, ou encore détection de ligands. L'aptitude de ces protéines à accomplir leur fonction s'appuie en particulier sur leur capacité à discriminer les différents ligands et à les transférer de façon réversible de l'hème vers le solvant.<br /><br />Les différentes étapes du transfert de ligand du site de liaison, l'hème, à l'extérieur de la protéine, ont lieu sur des échelles de temps couvrant plusieurs ordres de grandeur. Notre étude concerne les premières étapes du transfert de ligand qui se déroulent à l'échelle femtoseconde. Il s'agit dans le cas de la myoglobine du passage du ligand de l'hème à un site voisin à l'intérieur de la poche de l'hème (dit docking-site). Nous accédons au transfert grâce à une sonde située dans le domaine infrarouge moyen (5 µm). Ainsi, nous sommes directement sensibles aux changements de la vibration du ligand CO au cours du transfert.<br /><br />Le temps de déphasage vibrationnel du ligand CO (1 picoseconde) est long devant la dynamique du transfert. Ceci est à l'origine d'effets de cohérence et interdit, aux temps courts, une interprétation simple des expériences de transmission résolues spectralement. Afin de s'affranchir de ces effets, nous avons mis en place et utilisé deux méthodes complémentaires. Dans une première configuration expérimentale, la transmission de l'échantillon est intégrée spectralement, l'obtention du signal faible a nécessité une détection d'une grande sensibilité. Dans une deuxième configuration, nous accédons à la vibration du ligand au cours du transfert par la détection homodyne du champ émis par le ligand au cours du transfert. Cette approche originale de détection du champ émis a nécessité la stabilisation en phase d'une séquence d'impulsions infrarouge.<br /><br />Nous avons développé une fonction de réponse non-stationnaire qui décrit la réponse de l'échantillon et permet la simulation de ces deux types d'expériences. Nous présentons également une représentation spectro-temporelle originale de la réponse non-stationnaire.<br /><br />Nous avons mené des expériences sur la myoglobine, une hémoprotéine qui est un système de référence pour l'étude du transfert de ligand. Dans cette protéine, nos expériences de transmission différentielle intégrée spectralement ont permis d'observer une diminution progressive de la force d'oscillateur du ligand au cours du transfert. Cette interprétation est confirmée par des simulations basées sur un modèle phénoménologique. De façon surprenante, cette variation de force d'oscillateur ne suit pas le changement quasi-instantanée de la fréquence vibrationnelle. A notre connaissance, il s'agit de la première observation d'une diminution progressive de la force d'oscillateur vibrationnelle suite à la rupture d'une liaison chimique. Corrélée à la distance hème-ligand, cette force d'oscillateur est potentiellement une sonde du transfert de ligand.