Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Multifonctionnalité de l'aldolase glycolytique : mécanisme catalytique et interaction avec un peptide de la protéine du syndrome Wiskott-Aldrich

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Interplay Of Weak Interactions In The Atom-by-atom Condensation Of Xenon Within Quantum Boxes.

Condensation processes are of key importance in nature and play a fundamental role in chemistry and physics. Owing to size effects at the nanoscale, it is conceptually desired to experimentally probe the dependence of condensate structure on the number of constituents one by one. Here we present an approach to study a condensation process atom-by-atom with the scanning tunnelling microscope, which provides a direct real-space access with atomic precision to the aggregates formed in atomically defined 'quantum boxes'. Our analysis reveals the subtle interplay of competing directional and nondirectional interactions in the emergence of structure and provides unprecedented input for the structural comparison with quantum mechanical models. This approach focuses on-but is not limited to-the model case of xenon condensation and goes significantly beyond the well-established statistical size analysis of clusters in atomic or molecular beams by mass spectrometry.

Bose-Einstein condensation in 87Rb: characterization of the Brazilian experiment

We describe the experimental apparatus and the methods to achieve Bose-Einstein condensation in 87Rb atoms. Atoms are first laser cooled in a standard double magneto-optical trap setup and then transferred into a QUIC trap. The system is brought to quantum degeneracy selectively removing the hottest atoms from the trap by radio-frequency radiation. We also present the main theoretical aspects of the Bose-Einstein condensation phenomena in atomic gases.

An analytical solution for the critical number of particles for stable bose-einstein condensation under the influence of an anisotropic potential

We have considered a Bose gas in an anisotropic potential. Applying the the Gross-Pitaevskii Equation (GPE) for a confined dilute atomic gas, we have used the methods of optimized perturbation theory and self-similar root approximants, to obtain an analytical formula for the critical number of particles as a function of the anisotropy parameter for the potential. The spectrum of the GPE is also discussed.

Cloud condensation nuclei in pristine tropical rainforest air of Amazonia: size-resolved measurements and modeling of atmospheric aerosol composition and CCN activity

Atmospheric aerosol particles serving as cloud condensation nuclei (CCN) are key elements of the hydrological cycle and climate. We have measured and characterized CCN at water vapor supersaturations in the range of S=0.10-0.82% in pristine tropical rainforest air during the AMAZE-08 campaign in central Amazonia. The effective hygroscopicity parameters describing the influence of chemical composition on the CCN activity of aerosol particles varied in the range of kappa approximate to 0.1-0.4 (0.16+/-0.06 arithmetic mean and standard deviation). The overall median value of kappa approximate to 0.15 was by a factor of two lower than the values typically observed for continental aerosols in other regions of the world. Aitken mode particles were less hygroscopic than accumulation mode particles (kappa approximate to 0.1 at D approximate to 50 nm; kappa approximate to 0.2 at D approximate to 200 nm), which is in agreement with earlier hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (H-TDMA) studies. The CCN measurement results are consistent with aerosol mass spectrometry (AMS) data, showing that the organic mass fraction (f(org)) was on average as high as similar to 90% in the Aitken mode (D <= 100 nm) and decreased with increasing particle diameter in the accumulation mode (similar to 80% at D approximate to 200 nm). The kappa values exhibited a negative linear correlation with f(org) (R(2)=0.81), and extrapolation yielded the following effective hygroscopicity parameters for organic and inorganic particle components: kappa(org)approximate to 0.1 which can be regarded as the effective hygroscopicity of biogenic secondary organic aerosol (SOA) and kappa(inorg)approximate to 0.6 which is characteristic for ammonium sulfate and related salts. Both the size dependence and the temporal variability of effective particle hygroscopicity could be parameterized as a function of AMS-based organic and inorganic mass fractions (kappa(p)=kappa(org) x f(org)+kappa(inorg) x f(inorg)). The CCN number concentrations predicted with kappa(p) were in fair agreement with the measurement results (similar to 20% average deviation). The median CCN number concentrations at S=0.1-0.82% ranged from N(CCN,0.10)approximate to 35 cm(-3) to N(CCN,0.82)approximate to 160 cm(-3), the median concentration of aerosol particles larger than 30 nm was N(CN,30)approximate to 200 cm(-3), and the corresponding integral CCN efficiencies were in the range of N(CCN,0.10/NCN,30)approximate to 0.1 to N(CCN,0.82/NCN,30)approximate to 0.8. Although the number concentrations and hygroscopicity parameters were much lower in pristine rainforest air, the integral CCN efficiencies observed were similar to those in highly polluted megacity air. Moreover, model calculations of N(CCN,S) assuming an approximate global average value of kappa approximate to 0.3 for continental aerosols led to systematic overpredictions, but the average deviations exceeded similar to 50% only at low water vapor supersaturation (0.1%) and low particle number concentrations (<= 100 cm(-3)). Model calculations assuming aconstant aerosol size distribution led to higher average deviations at all investigated levels of supersaturation: similar to 60% for the campaign average distribution and similar to 1600% for a generic remote continental size distribution. These findings confirm earlier studies suggesting that aerosol particle number and size are the major predictors for the variability of the CCN concentration in continental boundary layer air, followed by particle composition and hygroscopicity as relatively minor modulators. Depending on the required and applicable level of detail, the information and parameterizations presented in this paper should enable efficient description of the CCN properties of pristine tropical rainforest aerosols of Amazonia in detailed process models as well as in large-scale atmospheric and climate models.

Critical Properties at the Field-Induced Bose-Einstein Condensation in NiCl(2)-4SC(NH(2))(2)

We report new magnetization measurements on the spin-gap compound NiCl(2)-4SC(NH(2))(2) at the low-field boundary of the magnetic field-induced ordering. The critical density of the magnetization is analyzed in terms of a Bose-Einstein condensation of bosonic quasiparticles. The analysis of the magnetization at the transition leads to the conclusion for the preservation of the U(1) symmetry, as required for Bose-Einstein condensation. The experimental data are well described by quantum Monte Carlo simulations.

Direct Measurement of the Bose-Einstein Condensation Universality Class in NiCl(2)-4SC(NH(2))(2) at Ultralow Temperatures

In this work, we demonstrate field-induced Bose-Einstein condensation (BEC) in the organic compound NiCl(2)-4SC(NH(2))(2) using ac susceptibility measurements down to 1 mK. The Ni S=1 spins exhibit 3D XY antiferromagnetism between a lower critical field H(c1)similar to 2 T and a upper critical field H(c2)similar to 12 T. The results show a power-law temperature dependence of the phase transition line H(c1)(T)-H(c1)(0)=aT(alpha) with alpha=1.47 +/- 0.10 and H(c1)(0)=2.053 T, consistent with the 3D BEC universality class. Near H(c2), a kink was found in the phase boundary at approximately 150 mK.

Bose-Einstein condensation in antiferromagnets close to the saturation field

At zero temperature and strong applied magnetic fields the ground state of an anisotropic antiferromagnet is a saturated paramagnet with fully aligned spins. We study the quantum phase transition as the field is reduced below an upper critical H(c2) and the system enters a XY-antiferromagnetic phase. Using a bond operator representation we consider a model spin-1 Heisenberg antiferromagnetic with single-ion anisotropy in hypercubic lattices under strong magnetic fields. We show that the transition at H(c2) can be interpreted as a Bose-Einstein condensation (BEC) of magnons. The theoretical results are used to analyze our magnetization versus field data in the organic compound NiCl(2)-4SC(NH(2))(2) (DTN) at very low temperatures. This is the ideal BEC system to study this transition since H(c2) is sufficiently low to be reached with static magnetic fields (as opposed to pulsed fields). The scaling of the magnetization as a function of field and temperature close to H(c2) shows excellent agreement with the theoretical predictions. It allows us to obtain the quantum critical exponents and confirm the BEC nature of the transition at H(c2).

H-1 NMR spectroscopic studies of the stability of an oxazolidine condensation product

Condensation of (-)-norephedrine with excess formaldehyde under mild conditions leads to formation of the 2:1 condensation product N,N'-methylenebis(4-methyl-5-phenyl)oxazolidine compared with the reaction with 1 mol of formaldehyde, which leads to 4-methyl-5-phenyloxazolidine. H-1 and C-13 NMR spectroscopy was used to monitor the stability of this compound and its decomposition products. The 2:1 condensation product is found to be stable in CDC1(3) but breaks down rapidly in CD3OD to yield a 50:50 mixture of 4-methyl-5-phenyloxazolidine and 3-hydroxymethyl-4-methyl-5-phenyloxazolidine. Upon addition of D2O to this equimolar mixture, the latter compound decomposes to norephedrine and formaldehyde, whereas the former compound is stable. (C) 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.

Macrocycle formation through carbon acid-formaldehyde condensation reactions of bis(propane-1,2-diamine)- and bis (2-methylpropane-1,2-diamine)-copper(II) ions

The reaction of the bis(1,2-diamine) copper(II) complexes of racemic propane-1,2-diamine (pn) and 2-methylpropane-1,2-diamine (dmen) with formaldehyde and nitroethane in methanol under basic conditions yields minor macrocyclic condensation products in addition to the major acyclic products. Where C-pendant methyl groups on the pair of coordinated diamines are in cis dispositions, the first -NH-CH2-C(CH3)(NO2)-CH2-NH- ring formation occurs at amine pairs distant from these C-methyl substituents, and further reaction to yield a macrocycle is not observed. However, where the C-methyl substituents are in trans dispositions, the chemistry proceeds to yield the macrocycle. Commencing with pn, trans-(6,13-diammonio-2,6,9,13-tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclotetradecane)copper(II) perchlorate formed and crystallized in the space group P2(1)/n, with a 9.782(2), b 9.2794(6), c 17.017(4) Angstrom, beta 103.24(1)degrees. The copper ion is found in a square-planar environment, with the two methyl groups of the pn residues and the pairs of introduced pendant groups all in trans arrangements.

Surface diffusion of adsorbed molecules in porous media: Monolayer, multilayer, and capillary condensation regimes

This review provides an overview of surface diffusion and capillary condensate flow in porous media. Emphasis has been placed on the distinction between purely surface diffusion, multilayer surface diffusion, and, capillary condensate flow.

A new diffusion and flow theory for activated carbon from low pressure to capillary condensation range

In this paper, we develop a theory for diffusion and flow of pure sub-critical adsorbates in microporous activated carbon over a wide range of pressure, ranging from very low to high pressure, where capillary condensation is occurring. This theory does not require any fitting parameter. The only information needed for the prediction is the complete pore size distribution of activated carbon. The various interesting behaviors of permeability versus loading are observed such as the maximum permeability at high loading (occurred at about 0.8-0.9 relative pressure). The theory is tested with diffusion and flow of benzene through a commercial activated carbon, and the agreement is found to be very good in the light that there is no fitting parameter in the model. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.