Techniques d’analyse expérimentales et travaux théoriques appliquée sur la guanine

Les erreurs de réplication de l’ADN

Une erreur dans la réplication de l‘ADN peut se produire lorsqu‘une paire illegitime de nucléotides se forme au cours de la synthese de l‘ADN( A-C au lieu de A-T) ce qui conduit à une substitution de base. Watson et Crick, lorsqu‘ils formulérent leur modéle de la double helice furent les premiers à remarquer que l‘insertion d‘un mauvais tautomére d‘une base standard modifient les caractéristiques des liaisons hydrogène pouvait mener à un mésappariement , succeptible de créer une mutation au cours de la réplication de l‘ADN. Les bases nucléiques peuvent se trouver sous deux formes tautomères (forme cétonique/ forme enolique), (forme amine/ forme imine). C’est habituellement la forme cétonique qui se trouve dans l’ADN7, alors que les formes imino et énol y sont plus rares. Mais elles peuvent apparaître à la suite d’une tautomérisation spontanée. Les formes imino et énol des bases nucléiques n’établissent pas les mêmes associations préférentielles que la forme cétonique. Ainsi la forme imino de la cytosine va s’apparier avec l’adénine au lieu de la guanine, la thymine sous sa forme énol ne s’apparie plus avec l’adénine mais avec la guanine, de même pour les purines : l’adénine sous sa forme imino établit un appariement illégitime avec la cytosine, et la forme énol de la guanine lui permet de s’apparier avec la thymine plutôt que la cytosine (figureI.3) .Ces mauvais appariements ou mésappariements, s’ils ne sont pas corrigés, mènent alors à des mutations de transition : une purine est remplacée par une purine et une pyrimidine par l’autre pyrimidine.

Bien que les principales ADN polymérases (complexes enzymatique qui interviennent dans la réplication de l’ADN) possèdent une activité de correction des épreuves, certains mésappariements échappent à cette correction et des bases se trouvent parfois incorrectement insérées dans le brin d’ADN en formation. Au moment de la réplication de l‘ADN, une guanine peut passée de la forme cétone en forme énole (G*). Sous cette forme, elle s’apparie normalement à une thymine au lieu de la Cytosine (FigureI.3).Si la forme énol subsiste au-delà du moment de l’étape de correction d’épreuve, l’appariement sera considéré comme correct et il ne donnera pas lieu à une correction. Mais l’appariement G* – T deviendra un appariement illégitime G – T quand la guanine reprendra la forme cétone, plus courante. Au cours de la réplication suivante, la thymine incorporée en face de la forme énol, va s’apparier avec une adénine. La paire G – C de départ sera remplacée par une paire A – T, dans une partie de la descendance. Les mésappariement peuvent également apparaitre à la suite de l‘ionisation des bases. Ce type de mésappariement est plus frequent que ceux provoqués par les formes imino et enol de base. Tous les mésappariements précédents sont dite des « mutations par transition » dans lesquelles une base purine est remplacée par une autre purine et une base pyrimidine est remplacée par une autre pyrimidine. À la suite d‘une erreur de réplication nécessiterait, à un moment de la réplication, une substitution d‘une base purine par une pyrimidine et vice versa conduit à un mésappariement d‘une purine avec une purine ou d‘une pyrimidine avec une pyrimidine. Ce type de mutation est appelé « mutation par transversion ». Bien que les dimensions de la double hélice d‘ADN rendent de ce mésappariement défavorable d‘un point de vue énergétique, des études aux rayons X ont montré l‘existence possible de paires Guanine-Adénine, ainsi que d‘autres paires Purine-Purine8.

l’ionisation à deux photons résonants R2PI (IR-UV, UV-UV) La technique de double résonance IR-UV comme la technique UV-UV26 Dite de « Hole burning » consiste à faire varier la longueur d‘onde d‘un laser « Pompe » dans le domaine des transitions étudiées et à sonder la population de l‘état dont sont issues ces transitions par un second laser « Sonde ». Cette technique est particulièrement bien adaptée à la spectroscopie vibrationnelle en jet supersonique car elle est suffisamment sensible pour étudier des transitions peu intenses dans un milieu peu dense, ce qui n‘est pas le cas de l‘absorption directe. De plus, c‘est une méthode sélective qui permet d‘obtenir séparément le spectre vibrationnel de l‘espèce sélectionnée par la sonde et non la superposition de toutes les espèces. Cette technique utilise deux lasers: a. Le laser pompe balaie en longueurs d‘onde le domaine du proche infrarouge dans la région des 3 micromètres (domaine des vibrations O-H, C-H et N-H) de manière continue. b. Le laser sonde, dans l‘ultraviolet, est fixé sur une transition électronique S0 S1( en général La transition 0-0) d‘une espèce donnée. L‘intensité de fluorescence qui résulte de l‘excitation électronique permet de mesurer la population de l‘espèce sondée. Lorsque la fréquence du laser infrarouge IR hn‘est pas en résonnance avec une transition vibrationnelle, la population de l‘état sondé reste inchangée et l‘émission de fluorescence induite par la sonde est constante. Par contre, si l‘excitation par le laser pompe correspond à une transition vibrationnelle, elle entraine une baisse de la population et donc du signal de fluorescence. Les spectres R2PI de guanine et beaucoup de composés liés, y compris 7MG, 9MG, Guanosine, 1MG et 6MG ont été effectué au cours de la décennie passée par plusieurs groupes27,28.on mis en évidence quatre bandes spectrales dans le proche UV de différents systèmes, nommés (A, B, C, D) figureI.6.

Les spectres IR/UV ont été effectués dans la région des fréquencesde NH pour ces quatre systèmes. Un d’entre eux D, est identique à celui du tautomère enolN9Hcis assigné par le Miller et Choi. Les trois autres formes A, B et C sont différentes. Par la suite du très bon accord entre les spectres IR de A et C et les fréquences harmoniques mesurées des trois parmi les huit tautomères les plus stables, on mené de l‘attribution de A à trans enol N7H), les caractéristiques de bande de B et C ont été assignées à des tautomères « rare »29 . Les spectres IR des espèces B et C montrent un modèle qualitativement différent méconnaisse au part avant, qui est ajusté aux fréquences obtenu par calcul des deux rotomères de la forme Oxoimino. L’attribution de B (7ImO1)et C (7ImO3 ) aux formes d’imino-oxo a été confirmée très récemment avant le spectre mid-IR de la phase gaz obtenus par des expériences de résonance doubles d’IR/UV30. L’expérience de R2PI semble favoriser la détection « de rare tautomers », relativement instable, en particulier l’absence de la forme la plus stable de la guanine isolé en phase gaz dans le spectre R2PI, suggère d’examiner de près les caractéristiques du processus de photoionisation à deux photons dans guanine.

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L’équation de Schrödinger

En 1926, le physicien autrichien Schrödinger proposait une équation pour trouver la fonction d’onde d’un système. La résolution de l‘équation de Schrödinger permet de prédire la géométrie moléculaire donc la stabilité relative des systèmes, les spectres de vibration, les moments dipolaires et quadripolaires. L’évolution au cours du temps t du système de N particules avec leurs positions est décrite par sa fonction d‘onde (r,R,t) , est déterminée par l’équation suivante: ( , , ) (r , R, t) t H r R t i (II.1) Qui est appelée équation de Schrödinger dépendante du temps, avec H l’hamiltonien du système qui incorpore tous les termes d‘énergie, aussi bien ceux apportés par les noyaux (énergie cinétique et potentielle) que ceux apportés par les électrons. Il s’agit là d’une équation différentielle de second ordre très difficile à résoudre dans le cas général. Elle représente en mécanique quantique l’équivalent de l’équation de Newton en mécanique classique F ma   et permet de connaître l’évolution dans le temps d’un système donné. Pour un atome, ou une molécule, les forces qui sont à l’origine d’un potentiel ne dépendent que des coordonnées des particules et sont indépendantes du temps. Dans ce cas les solutions (r1, r 2,….rN)  peuvent s‘écrire : Hˆ (r1, r 2,….rN) E (r1, r 2,….rN) (II.2) Où E est l’énergie totale associée à la fonction d’onde (r1, r 2,….rN) obtenue en résolvant l’équation de Schrödinger indépendante du temps: H Ei i i i ˆ (II.3) Les fonctions i solutions de l’Equation (II.3) sont appelées états stationnaires du système associé aux énergies Ei, fonctions de coordonnées des noyaux et des électrons et contiennent toutes l’information du système. L’état 0 associé à l’énergie la plus basse E0 est appelé état fondamental du système. Pour un système de N noyaux et n électrons indépendants du temps, où E et i i H ˆ sont respectivement l’énergie et l’hamiltonien du système, l’hamiltonien non relativiste du système de charges ponctuelles s‘écrit: H ˆ = Tee ˆ + Tne ˆ +V ne ˆ +V ee ˆ + V

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Etude bibliographique
IIntroduction
IIDescription de la molécule de l’hérédité
IIILes mutations spontanées de genes de l’ADN et leurs bases chimique
VI.1les erreurs de réplication de l’ADN
VI.2Les lésions spontanées de l’ADN
IXLa Guanine
IX.1Historique de la molécule
IX.2La synthèse abiotique de la molécule
IX.3Résumé des propriétés de la guanine
IX.4Utilisation médicale et industrielle de la guanine
X Techniques d’analyse expérimentales et travaux théoriques appliquée sur la guanine
X.1Analyse expérimentales
X.2techniques expérimentales utilisés pour l’isolement de la molécule en phase ga
aL’isolement par matrice14
bL’isolement par les gouttelettes d’H
cL’isolement par l’expansion supersonique
Xl’ionisation à deux photons résonnants R2PI (IR/UV, UV/UV
Chapitre II : Méthodes de calcul Introduction
IILa mécanique quantique
II.1.L’équation de Schrödinger
II.2Interprétation des fonctions d’ondes
II.3L’approximation adiabatique
II.4La méthode de Hartree-Fock
II.4.1.Approximation orbital (Hartree)
II.4.2.la fonction spin-orbital
II.4.3.l’approximation de Hartree-Fock
II.4.3.1l’antisymétrie de la fonction d’onde et le principe d’exclusion de pauli
II.4.3.2L’approche Hartree-Fock
II.4.4.Méthode du champ auto-cohérent SCF(Self Consistent Field)
II.5Méthodes de Hartree-FockRoothan
II.6.Les méthodes SCF-LCAO : méthode Ab initio et semi-empirique
II.6.1.La détermination de la fonction d’onde mono-électronique
II.6.2.les calculs Ab-intio
II.6.3.Les méthodes semi-empirique
II.7.La limite Hartree-Fock :problèmes de la corrélation , trou de coulomb
II.7.1.Méthodes de Moller-plesset
II.7.2les méthodes d’interaction de configuration (CI)
II.6.3.Les méthodes MCSCF/MRCI
II.8.Théorie de la fonctionnelle de densité (DFT
II.8.1.Les débuts de la DFT
II.8.2.Théorèmes de Hohenberg et Kohn
II.8.3.Les équations de Kohn-Sham
II.8.4.Les approximation de la DFT
II.8.4.1.Les approximations LDA
II.8.4.2Améliorations sur l’approximation locale
IIILa détermination des propriétés d’un system
III.1.Analyse de la structure électronique
III.2.Analyse de population
III.3.1L’analyse de Mulliken
III.3.2.le moment dipolaire
III.34.L’analyse NBO ( Natural Bond Orbitals)
III.3.1.Orbitale naturelles
III.3.2.Orbitales Atomique Naturelles (NAO)
III.3.3.Orbitales Naturelles de liaison (NBO)
III.4Fréquence harmoniques
III.5Calcul de l’énergie de liaison
III.6le potentiel électrostatique
IV.la surface d’énergie potentielle
IV.1.L’exploitation de la surface d’énergie potentielle
IV.2.Théorie de l’état de transition
IV.2.Chemin de réaction
VTraitement de la solvatation
V.1Généralités sur les modèles de solvatation par continuum diélectrique
V.2.Les modèles SCRF
V.3.Les modèles de Born, Onsager et Kirkwood
V.4.Les modèles PCM
Chapitre III : Résultats et discussions
IILa base purine « Guanine
II.1Description de la molécule
II.2Etude structurale des différentes formes tautomères de la guanine à l’état isolé
IIIla solvatation de la guanine
III.1La liaison hydrogène et la molécule d’eau
III..2.Type des liaisons hydrogène
IV Méthodologie et approche quantique sur les modèles
IV.1Etude structurale de la solvatation de la guanine
IV.1.1Modélisation des complexes la forme canonique Guanine-Eau
IV..2.Influence des molécules d’eau sur les propriétés géométriques de la molécule de guanine
VRéaction de tautomérisation
VIEtude statique de l’équilibre tautomérique céto-enoliue de la guanine
IV.1.1L’équilibre tautomérique céto-enolique de la guanine isolé
IV.2.Effet du solvant sur l’équilibre tautomérique céto-enolique
IV.2.1modélisation des complexes de la forme enolique guanine-eaun (n= 2,11
IV.2.2Recherche des états de transition
IV.2.3Interprétation des résultats
IV.2.2 Recherche des états de transition

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