Méthodologies pour l'étude du fractionnement isotopique photosynthétique et post-photosynthétique par RMN 13C isotopique

Methodologies for the study of photosynthetic and post-photosynthetic isotopic fractionation using isotopic 13C NMR

• Auteur / Autrice : Alexis Gilbert
• Direction : Gérald Remaud, Richard J. Robins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glucose

Fructose

Carbone 13

Carbone -- Isotopes

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Glucose isomérase

Métabolisme

Fractionnement isotopique

Résumé

Une méthodologie a été mise au point, permettant de déterminer la teneur isotopique en carbone 13 sur chaque site carboné du glucose, du fructose et du saccharose par RMN 13C isotopique. La dérivation des sucres en dérivés acétonides est un pré requis nécessaire à l’obtention de l’information souhaitée. Une fois le protocole pour la dérivation mis en place, la méthodologie montre une précision de l’ordre de 1‰. L’analyse d’éthanols, provenant de la fermentation alcoolique des sucres analysés, montre une cohérence des résultats obtenus par la méthodologie employée sur les sucres. La molécule d’éthanol a été utilisée comme molécule sonde pour montrer une influence du climat (température, ensoleillement, précipitations) sur la distribution isotopique intramoléculaire en 13C des sucres issus de la vigne. De plus, les données récoltées sur différents échantillons d’amidon ou de saccharose issus de plantes à métabolisme C3 ou C4 montrent une influence du type de plante sur la distribution isotopique intramoléculaire en 13C de ces sucres. Les hypothèses formulées permettent de mettre en avant le fait que le mécanisme d’assimilation du CO2 (C3 ou C4) n’est pas uniquement responsable des différences observées. Les réactions d’isomérisation (impliquant les trioses phosphates et les hexoses phosphates) apparaissent comme étant déterminantes en terme de fractionnement isotopique observé sur les sucres issus de la photosynthèse. Nous avons donc mesuré les effets isotopiques associés à la transformation du glucose en fructose, catalysée par la glucose isomérase. Les résultats montrent un effet à l’équilibre qui tend à enrichir la position C-1 et à appauvrir la position C-2 du glucose, et un effet isotopique cinétique important sur le C-2 lors de la transformation du fructose en glucose.

A methodology has been developed that makes possible the determination of the site specific carbon-13 isotopic composition of glucose, fructose and sucrose using isotopic 13C NMR. The derivatization of sugars as their acetonides is a prerequisite to accessing the desired information. Once the protocol for the derivatization was perfected, the methodology can attain a precision of 1‰ or better. Analyses of ethanols derived from sugars by fermentation show a good correlation with results obtained by the methodology developped. The ethanol molecule has also been used as a probe to show the influence of climatic parameters (temperature, sunshine, rainfall) on the intra-molecular 13C isotope distribution in sugars from grapes. Moreover, results for sugars or starch from plants having C3 or C4 metabolism show there to be an intramolecular 13C distribution characteristic of the type of carbon assimilatory pathway exploited. The hypothesis proposed here indicates that the CO2 assimilation mode is not the only factor affecting the intra-molecular 13C distribution in sugars. It appears that isomerisation steps (involving trioses phosphates or hexoses phosphates) are crucial in terms of isotopic fractionation in the sugars produced during photosynthesis. We have therefore measured the isotope effects associated with the transformation of glucose to fructose, catalysed by glucose isomerase. A clear equilibrium isotope effect is observed, which is shown to be responsible for the C-1 enrichment and the C-2 depletion of glucose, and a significant kinetic isotope effect on the C-2 of glucose is also seen during the conversion of fructose to glucose.