Modélisation du mécanisme catalytique de l'urate oxydase

Abstract

In this work, a theoretical study has been carried our in order to understand the catalytic mechanism of Uox. i) study of the physical and chemical properties of the uric acid and its anions; ii) determination of the intrinsic reactivity of the uric acid and its anions with dioxygen; iii) determination of the urate form bound by the enzyme and its reactivity in an active site model. All these studies were carried out at various levels of quantum mechanics, including semi-empirical, DFT and ab initio (HF and MP2) methods. Our study highlights two significant peculiarities of the catalytic mechanism of urate oxidase; i) the substrate bound to the enzyme is the 3-7 urate dianion form, which is not the most stable dianion form in solution but the second most one; ii) the reaction pathway displays a continuous spin change from the reactive state, a triplet state, to the final state, a single state. This spin change occurs without any photon emission but through a degenerescency between the singlet and the triplet states along the first steps of the reaction.L'objectif de ce travail est de comprendre le mécanisme catalytique de l'urate oxydase à l'aide des méthodes de la chimie quantique. Pour cela nous avons étudié ce mécanisme en trois étapes : i) étude des propriétés physico-chimiques de l'acide urique et de ses anions ; ii) étude de la réactivité intrinsèque de l'acide urique et de ses anions avec le dioxygène ; iii) étude de la réactivité du substrat réel dans un modèle de site actif. L'ensemble de ces études a été effectué selon différents niveaux de mécanique quantique : semi-empirique, DFT ou encore ab initio (niveaux HF et MP2). L'ensemble de nos études a permis de mettre en évidence au moins deux particularités très importantes du mécanisme catalytique de l'urate oxydase : i) le substrat reconnu par l'enzyme est dianionique et ne correspond pas au dianion le plus stable en solution mais à la deuxième espèce la plus stable ; ii) le chemin réactionnel implique un changement d'état de spin de l'état réactif (triplet) à l'état final (singulet). Ce changement d'état de spin intervient sans transition d'état (i.e. sans émission de proton)