Ce travail s'inscrit dans le cadre général de la mise au point et de l'étude d'agents potentiellement photothérapeutiques. Dans cette optique, les recherches menées dans notre laboratoire sont consacrées principalement à l'étude de complexes photooxydants de ruthénium(II) contenant des ligands -déficients TAP (1,4,5,8-tétraazaphénanthrène). Ces composés sont en effet capables, sous illumination, d'oxyder différentes biomolécules pour mener, notamment, à la formation de photoadduits qui pourraient perturber le fonctionnement d'enzymes cellulaires in vivo. La première partie de ce travail a été consacrée à la mise au point d'un nouveau système d'ancrage de ces complexes. Elle décrit les voies de synthèse et de purification de deux nouveaux ligands fonctionnalisés: la phen" et le TAP", ainsi que celles de trois nouveaux complexes chélatés par ces nouveaux ligands: le Ru(TAP)2phen"2+, le Ru(TAP)2TAP"2+ et le Ru(phen)2phen"2+. Ces composés ont été attachés, via une liaison oxime, sur oligonucléotides synthétiques et sur polymères biodégradables. La seconde partie de notre travail a été consacrée à l'étude photochimique de conjugués oligonucléotide-complexe sous forme de simples et de doubles brins. Pour les conjugués à base du Ru(TAP)2phen2+, nous avons pu mettre en évidence un photocrosslinking lorsque des guanines étaient présentes dans le brin complémentaire. La formation de ce photoadduit est moins efficace que celle observée avec l'ancien système et montre une dépendance en l'extrémité d'ancrage du complexe (5' ou 3'). Pour les conjugués fonctionnalisés avec le Ru(TAP)32+, nous avons montré que le photocrosslinking, dans le duplexe avec guanines, était moins efficace à cause de la photodéchélation de ce composé. De plus, nous avons pu mettre en évidence un quenching de la luminescence par les bases adénines dans les conjugués simples et doubles brins sans guanine ainsi qu'un photocrosslinking dans le duplexe sans guanine. Enfin, nous avons pu déterminer pour la première fois le rendement quantique de la réaction de photojonction via les bases guanines. Nous avons ensuite étudié, d'un point de vue photophysique et photochimique, des conjugués complexe-polymère biodégradable dont le rôle sera de faire pénétrer les composés photoréactifs à l'intérieur des cellules. D'une part, nous avons montré que la présence du polymère avait peu d'influence sur les propriétés photophysiques des complexes. D'autre part, l'utilisation de différentes techniques, nous a permis de démontrer que les complexes ancrés chimiquement sur ces macromolécules sont toujours capables de photooxyder la guanine et de mener à la formation de photoadduits sur GMP et sur oligonucléotides. Finalement, la dernière partie de notre travail a été consacrée à l'étude des complexes photoréactifs Ru(TAP)2phen2+ et Ru(TAP)32+ en présence de dérivés de la tyrosine. Nous avons pu mettre en évidence un quenching de la luminescence de ces complexes par la tyrosine, la N-acétyl-tyrosine et le tripeptide lysine-tyrosine-lysine. La formation de photoproduits a été montrée par spectroscopie d'absorption et une influence de la concentration en oxygène et de la chaîne principale de l'acide aminé a été observée. Enfin, suite à une étude par HPLC et ES-MS, la formation de dimères de la tyrosine et de complexes ayant perdu un ligand TAP et rechélatés par une tyrosine a pu être proposée.

Les cytochromes P450 (P450) et la NADPH-cytochrome P450 réductase (CPR) sont les principaux acteurs du métabolisme des xénobiotiques chez les mammifères. La CPR est une protéine multidomaine formée de deux domaines catalytiques comprenant les cofacteurs FAD et FMN et reliés par un domaine de connexion. Grâce aux propriétés rédox de ses deux flavines, la CPR est capable de scinder le flux diélectronique du NADPH en deux transferts monoélectroniques vers les P450. Jusqu'alors, la CPR avait toujours cristallisé dans une conformation dite fermée, compatible avec un transfert interne du FAD au FMN, mais dans laquelle le FMN était tellement enfouie au cœur de la protéine qu'un transfert externe vers les P450 était inenvisageable. Le projet de cette thèse consistait à construire et analyser les caractéristiques structurales et biochimiques de CPR chimères constituées de domaines issues des CPR humaine et de levure. Ces chimères sont toujours fonctionnelles vis-à-vis d'accepteurs artificiels et naturels. Leurss constantes catalytiques, la vitesse des différents transferts d'électrons internes et externes, les potentiels standards de leurs cofacteurs ou encore leur stabilité vis-à-vis d'agents dénturants ou de la température ont été mesurés et comparés aux caractéristiques des CPR parentales. De plus, la structure cristallographique de l'une d'elle a pu être déterminée à 2,5 Å de résolution et dans une nouvelle conformation dite ouverte. Celle-ci prouve le caractère dynamique de cette protéine multidomaine, et pourrait correspondre à la conformation de la CPR au sein du complexe bimoléculaire CPR-P450 lors du transfert externe entre le FMN et le cytochrome. Les facteurs pouvant influencer ou dicter ces changements conformationnels ont été appréhendés grâce à des analyses d'enzymologie, de cinétiques rapides, de potentiométrie ou encore de dénaturation.

Les complexes de ruthénium(II) font l'objet d'un intérêt croissant en tant que photosondes du matériel génétique ou nouvelles drogues en photothérapie anti-cancéreuse. Les complexes contenant des ligands TAP (1,4,5,8-tétraazaphénanthrène) sont capables sous l'action d'une irradiation lumineuse, de génèrer spécifiquement un photoadduit avec la guanine. Cette photoréactivité constitue une stratégie prometteuse pour contrôler l'expression d'un gène. Toutefois, le manque de sélectivité de ce type de photoréaction bloque leur potentiel thérapeutique. <br />Afin de surmonter cet obstacle, nous avons attaché le complexe de ruthénium à l'extrémité d'un oligonucléotide. Cette approche repose sur l'utilisation des propriétés intrinsèques de reconnaissance spécifiques des oligonucléotides vis-à-vis d'une cible acide nucléique. Pour préparer les conjugués, nous avons utilisé la formation d'un lien éther d'oxime en mettant au point une méthode douce et efficace de conjugaison, optimisée dans des conditions conformes aux exigences physiologiques. Nous avons préparé différents conjugués à partir des complexes [Ru(TAP)3]2+ et [Ru(TAP)2Phen]2+, ancrés indifféremment à l'extrémité 3' ou 5' des oligonucléotides, afin d'en étudier le potentiel photochimique. En illuminant ces nouveaux conjugués dans le visible, nous avons mis en évidence la formation spécifique d'un photopontage entre une guanine de l'acide nucléique ciblé et le complexe de ruthénium. Nous avons également étendu notre procédé en ancrant le complexe [Ru(TAP)2Phen]2+ à des peptides vecteurs.

L'objectif de ce projet est de développer une biocathode enzymatique en utilisant une laccase qui catalyse la réduction de dioxygène en eau. La laccase de T. Versicolor produite au laboratoire a été choisie sur la base de sa bonne stabilité et son potentiel redox élevé. Cette laccase a été immobilisée par liaison covalente (EDC/NHS) ou par adsorption sur la surface d'une électrode de carbone fonctionnalisée. L'activité de laccase en présence d'ABTS et le courant de réduction d'O2 ont été évalués. Le transfert direct d'électrons (TED) a eu lieu entre l'électrode et la laccase immobilisée. Pour fonctionnaliser les surfaces des électrodes de carbone deux approches ont été étudiées. Dans une première approche, les surfaces ont été électrochimiquement fonctionnalisées par réduction de sel de diazonium pour générer des groupements amines ou carboxyliques. La laccase a été ensuite immobilisée par une liaison covalente sur des surfaces fonctionnalisées par des groupements carboxyliques et le courant a atteint une densité de 25,1±6,1 µA∙cm-2. L'oxydation de cette laccase a permis d'atteindre une densité de courant de 166,8±21,4 µA∙cm-2. Une autre stratégie de fonctionnalisation des électrodes qui consiste en traitement des surfaces par plasma a été étudiée. Le procédé plasma est innovant, simple et rapide. Différentes paramètres du plasma ont été étudiés. Selon le type de plasma (air, O2 et N2), des groupements carboxyliques, carbonyles et amines/amides ont été générés. La réduction d'O2 a également été effectuée par TED. Une densité de courant de l'ordre de 108 µA∙cm-2, a été obtenue pour la laccase immobilisée d'une façon covalente sur des surfaces traitées par plasma N2.

Ce travail concerne les mécanismes photoinduits d’une flavoprotéine appartenant à la famille des cryptochromes et photolyases (CPF) : la photolyase (6-4). En utilisant de la lumière bleue cette protéine répare un dommage de l’ADN induit par les UV, le photoproduit (6-4). Nous avons étudié cette photoreparation ainsi qu’une autre réaction photoactivée que la photolyase utilise pour réduire son cofacteur flavine, la photoactivation. Nous avons faits nos études en utilisant la photolyase (6-4) de Xenopus laevis. Nous avons étudié la photoréduction du chromophore FADox de l’enzyme par spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde polarisée. Nous avons observé un transfert d’électron ultrarapide (~400 fs) après excitation du chromophore FADox. Nous avons caractérisés un résidu tryptophane comme réducteur. Nous avons cherché de distinguer entre les différents tryptophanes présents dans le site de photoactivation par des mesures d’anisotropie. Les résultats obtenus suggèrent que le mécanisme de transfert d’électron dans la photolyase n’est pas compatible avec le mécanisme supposé chez les photolyases qui consiste des transferts d’électron de long d’une chaine de trois résidus tryptophane. Grâce à des trains d’impulsions courtes, nous avons démontré que la photolyase (6-4) répare l’ADN par un mécanisme à deux photons successif. Le premier photon sert à convertir le défaut (6-4) en un intermédiaire métastable, X, qui a une durée de vie de ~2 min. Un second photon absorbé pendant cette durée de vie permet d’achever le cycle de réparation. / We studied the light-induced reactions of the (6-4) photolyase, a flavoenzyme of the cryptochrome/photolyase family that repairs the UV-induced (6-4) photodamage in DNA with the aid of blue light. We studied this photorepair reaction as well as the light-induced cofactor reduction called photoactivation that the enzyme uses to bring itself to a repair-active state in the (6-4) photolyase from Xenopus laevis. We have studied the photoactivation of the FADox cofactor of the enzyme using femtosecond polarised transient absorption spectroscopy. We observed a sub-picosecond electron transfer (~400 fs) after excitation of the FADox cofactor. We were able to characterise a tryptophan residue as the electron donor. We sought to differentiate the spectroscopically identical but differently oriented tryptophan residues within the protein’s photoactivation site by transient anisotropy measurements. Our results suggest that the photoactivation mechanism is not fully compatible with the mechanism thought to be conserved among photolyases: an electron transfer mechanism via electron hopping along a chain of three highly conserved tryptophan residues.Using series of single turnover flashes, we have found that the repair reaction proceeds by a successive two-photon mechanism. The first photon converts the (6-4) lesion into a metastable intermediate X, the lifetime of which is ~2 min. Absorption of a second photon within the lifetime of X results to the restoration of intact nucleobases. In light of our findings, the reaction was also studied by femtosecond transient absorption spectroscopy.

L'objectif de ce travail est de mieux comprendre le mécanisme intime de réparation de lésions photoinduites de l'ADN (dimères de type cyclobutane et adduits pyrimidine (6-4) pyrimidone) par les enzymes redox de type photolyase, en utilisant les outils et les concepts de l'électrochimie moléculaire.<br />L'étude par voltamétrie cyclique de modèles des lésions de type cyclobutane nous a permis d'une part de mimer l'étape clef de la réparation enzymatique (transfert d'électron dissociatif) et d'autre part de suivre dans le temps la réparation des lésions modèles par la photolyase ADN d'Escherichia coli. A partir des résultats obtenus, nous avons pu discuter le mécanisme de réparation, en particulier le caractère concerté ou séquentiel des réactions à l'oeuvre.<br />Le mécanisme de réparation des adduits (6-4) n'est pas encore élucidé mais une voie possible implique comme précédemment un transfert d'électron couplé à la coupure de deux liaisons vers la forme fermée des lésions (oxétanes). L'étude par voltamétrie cyclique d'une part de la réduction et de l'oxydation d'oxétanes modèles et d'autre part de leur réparation par la photolyase ADN d'E. coli nous a permis de rassembler une série de preuves expérimentales qui confirment le mécanisme initialement proposé et permettent de mieux le comprendre.

Ce mémoire s'articule autour de deux aspects complémentaires des processus qui accompagnent le transfert d'électron. Le cœur de ce projet concerne la valorisation de l'électrochimie moléculaire comme technique d'activation dans deux directions : activation de processus mécaniques ou de mouvements moléculaires dans des architectures commutables pour lesquelles un transfert d'électron fournit l'impulsion tout en permettant le contrôle et la lecture de l'état d'un système dynamique, et activation de processus chimiques pour lesquels l'électrochimie est exploitée en ingénierie moléculaire pour élaborer des molécules complexes et proposer une alternative efficace aux méthodes classiques de la synthèse organique. Le fil conducteur « activation électrochimique » est déroulé autour deux grandes classes de composés : les -dimères de dérivés du viologène et les macrocycles conjugués à base de pyrrole. Dans la première partie de ce mémoire, nous présenterons nos résultats en matière de systèmes moléculaires commutables dont les mouvements intramoléculaires et les propriétés sont activés et contrôlés par simple transfert d'électron tandis que la deuxième partie est centrée sur l'ingénierie électrochimique de porphyrines étendues.

Les transferts d'électrons sont très souvent accompagnés de transferts de proton, que ce soit lors de processus naturels, enzymatiques ou artificiels. Le fonctionnement du photosystème II en est un exemple remarquable : l'oxydation de l'eau en dioxygène grâce à l'énergie solaire fait intervenir à plusieurs reprises le couplage entre transfert d'électron et transfert de proton, notamment lors de l'oxydation d'une tyrosine. Notre étude a porté sur l'oxydation de divers phénols en milieu aqueux comme premier modèle. Cette réaction peut suivre deux types de mécanisme : séquentiel ou concerté. L'oxydation du 2,4,6-tri-tert-butylphénol et du phénol a été étudiée par des méthodes hétérogènes (électrochimie directe) et homogènes (catalyse rédox, transfert électronique photoinduit et « stopped flow »). En milieu non-tamponné, pour les solutions les plus basiques, il y a tout d'abord déprotonation puis oxydation. A mesure que le pH diminue, ce mécanisme laisse place à un mécanisme concerté avec libération du proton dans l'eau. Il est à noter que le mécanisme séquentiel avec un transfert d'électron suivi du transfert de proton n'est jamais compétitif. Dans le cas du phénol, l'énergie de réorganisation associée au mécanisme concerté a été estimée à 0,4 eV. Lorsque le proton est capté par une base d'un tampon (milieu phosphate), l'énergie de réorganisation est de 0,7 eV. Cette différence a été interprétée par un rôle spécifique joué par l'eau en tant qu'accepteur de proton, un petit nombre de molécules d'eau pré-organisées étant nécessaires lors de la réaction d'oxydation du phénol. Le modèle qualitatif proposé a été corroboré par des expériences menées dans des mélanges eau / acétonitrile.

Ce mémoire est consacré à la synthèse, à la caractérisation et à l'étude des propriétés électrochimiques et photophysiques dans l'acétonitrile de complexes hétérobimétalliques comportant des unités photosensibles du type ruthénium(II)-tris-bipyridine reliées de manière covalente à une unité polypyridinique de fer (II) ou de cobalt (II), dans le but d'étudier les transferts d'électrons photoinduits dans de telles architectures.<br />A l'aide de ligands bis-bipyridine, une série de complexes tétranucléaires formés d'une unité centrale FeII-tris-bipyridine reliée à trois unités RuII-tris-bipyridine par une chaîne alkyle de longueur variable, a été obtenue. L'examen de leurs propriétés photophysiques met en évidence un transfert d'énergie partiel, intramoléculaire, de l'état excité des unités, RuII*, vers l'unité centrale FeII. Ce transfert d'énergie est court-circuité en présence d'un accepteur d'électron irréversible externe par un processus de transfert d'électron, qui conduit à la formation d'espèces RuIII capables d'oxyder la sous-unité FeII. En utilisant un ligand hétéroditopique de type bipyridine–terpyridine, de nouveaux complexes trinucléaires comportant une unité centrale FeII ou CoII bis-terpyridine reliée à deux unités RuII-tris-bipyridine ont également été synthétisés. L'utilisation de ce type de ligand confère à ces complexes une structure plus linéaire. Dans le cas du complexe de FeII, le transfert d'énergie purement intramoléculaire peut également être court-circuité par un transfert d'électron en présence d'un accepteur irréversible conduisant à l'oxydation quantitative de la sous-unité FeII. Dans le cas du complexe de cobalt, le cycle photocatalytique envisagé implique la photogénération de l'espèce RuIII via un transfert d'électron entre RuII* et l'unité CoIII (préalablement générée par voie électrochimique) qui joue le rôle d'accepteur d'électron. Toutefois cette réaction catalytique est relativement lente car le donneur d'électron utilisé pour régénérer le RuII ne possède par une irréversibilité suffisante pour concurrencer la réaction retour, c'est-à-dire la réoxydation de CoII par RuIII.<br />Enfin, l'étude de polymères de coordination électro-et photo-activables de RuII et FeII a été abordée. Ce type de polymères dérive des complexes trinucléaires de RuII et de FeII. Ils sont obtenus sous forme soluble grâce à l'utilisation de ligands hétéroditopique de type bipyridine-bis-terpyridine, dont la partie bipyridine est complexée par le RuII, tandis que l'ajout de Fe2+ permet la formation du polymère par auto-assemblage. Comme pour les complexes de FeII et de RuII de dimensions finies, l'oxydation photoinduite de l'unité FeII est possible bien que son efficacité dépende de la nature du pont entre la bipyridine et les terpyridines. De plus, ces polymères ont pu être adsorbés sous forme de films minces électroactifs à la surface d'une électrode (élaboration d'électrodes modifiées) par une technique simple d'électrodéposition.

Développer des méthodes efficaces pour mettre en forme les matériaux moléculaires magnétiques demeure un enjeu majeur et représente une étape essentielle en vue de possible applications. A cet égard, l’élaboration d’hybrides magnétiques présentant des propriétés de cristaux-liquides ou des systèmes solubles apparait comme une approche prometteuse. Ce travail de thèse a été axé sur la conception, la synthèse et la caractérisation de nouveaux hybrides basé sur des molécule-aimants (SMMs), des complexes à conversion de spin (SCO) et systèmes à transfert d'électrons (ET). Le chapitre I contient des informations générales et concepts théoriques sur ces trois classes de complexes magnétiques (SMM, SCO et ET) ainsi qu’un aperçu bibliographique sur les hybrides magnétiques connus. Le chapitre II est axé sur nos travaux de fonctionnalisation de molécules-aimants basés sur le complexe Mn12, en vue d’obtenir des phases cristaux-liquides. Dans le chapitre III, l’étude d’une série de complexes à conversion de spin de type Fe(II)-pyridylbenzohydrazone au sein de phases cristallines ou de phases molles est décrite. Le chapitre IV est dédié à l’étude de complexes tetra nucléaire a pont cyanure de type {Fe2M2} (M = Co2+, Ni2+),qui sont connus pour présenter des propriétés de transfert de charge ou SMM avec l’ion Co(II) etNi(II), respectivement. Dans ces trois chapitres expérimentaux, l’influence de la fonctionnalisation des ligands sur l’auto-organisation et les propriétés thermiques et magnétiques des matériaux résultants est discutée en détail. / Developing efficient methods to process molecular magnetic materials remains a considerable challenge and constitutes one of the critical steps toward possible applications. In this scope, the development magnetic hybrids featuring liquid crystal properties or improved solubility appears as a promising approach. This thesis work aimed to design, synthetize and characterize new hybridmaterials based on the single-molecule magnets (SMMs), spin crossover (SCO) and electrontransfer (ET) complexes. Chapter I contains general information and theoretical concepts on these three classes of magnetic complexes (SMMs, SCO and ET complexes), followed by a bibliographicsurvey on hybrid magnetic materials. Chapter II, rational is focused on the functionalization ofMn12-based SMM towards liquid crystalline phases. In Chapter III, a series of pyridylbenzohydrazone-based Fe(II) SCO complexes is investigated in both crystalline and soft matter phase. Chapter IV is dedicated to the study of cyanido-bridged {Fe2M2} molecular squares(M = Co(II), Ni(II)), which are known to exhibit SMM and thermally- or photo induced ET,respectively with Co(II) and Ni(II). In these three experimental chapters, the influence of ligand functionalization on self-organization, thermal and magnetic properties of the resulting materials is discussed in detail.