Complexes de Cu(I/II) comme modèles du cuivre-(amyloïde-beta) in-between state responsable du stress oxydant dans la maladie d'Alzheimer

Cu(I/II) complexes as models of the copper-(amyloid-beta) in-between state responsible for oxidative stress in Alzheimer's disease

• Auteur / Autrice : Leonie Berthonnaud
• Direction : Christelle Hureau, Shun Hirota
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organométallique et de Coordination
• Date : Soutenance le 19/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Nara institute of science and technology (Japon)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Gwénaël Rapenne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tsuyoshi Kawai, Myriam Martino, Aurore Thibon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marius Réglier, Elodie Anxolabéhère-Mallart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Protéine amyloïde bêta

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

Stress oxydant

Maladie d'Alzheimer

Amyloïde beta

Cuivre

Monoxyde de carbone

TMPA

Oxidative stress

Alzheimer's disease

Beta amyloid

Copper

Carbon monoxide

TMPA

Résumé

Les démences touchent environ 50 millions de personnes dans le monde et la maladie d'Alzheimer (MA) en est la forme la plus répandue. La MA est une maladie neurodégénérative qui touche les personnes âgées. Elle est caractérisée par des lésions cérébrales liées à un fort stress oxydant, associé à une concentration extracellulaire anormalement élevée en peptide amyloïde-beta (Abeta) conduisant à son agrégation en plaques séniles. Les bio-métaux tels que les ions cuivre (Cu) sont présents en grande quantité dans les plaques amyloïdes. Il a été démontré que le Cu se lie à Abeta formant un complexe capable de catalyser la production d'espèces réactives de l'oxygène (ERO) en présence de O2 et d'un réducteur tel que l'ascorbate, en effectuant des cycles entre les états d'oxydation +I et +II. Cependant, le mécanisme catalytique exact reste incompris. Les deux sphères de coordination de Cu-Abeta (dans les états d'oxydation +I et +II) sont très différentes, empêchant le transfert direct d'électrons. Des études électrochimiques ont révélé que le cycle redox passe par un ''in-between state'' (IBS) qui serait l'espèce active et en équilibre avec les états stables des ions Cu(I) et Cu(II) caractérisés par spectroscopie. Le caractère transitoire de l'IBS le rend difficile à détecter et à étudier. L'objectif de ma thèse était d'acquérir de nouvelles connaissances sur la réactivité de l'IBS avec le dioxygène. Pour cela, le monoxyde de carbone (CO) a été utilisé comme substitut redox inactif de O2 afin d'accumuler les intermédiaires CO-Cu(I)Abeta. Le complexe Cu-TMPA (TMPA = tris(2-pyridylméthyl)amine), qui a été largement étudié, a été utilisé comme composé de référence pour sa réactivité et son mode de coordination avec CO et O2. Ensuite, des peptides Abeta modèles ont été choisis pour identifier le site de coordination minimal de Cu dans l'IBS en présence de CO et O2. L'étude des complexes Cu(II)TMPA à l'état solide et en solution par cristallographie aux rayons X, spectroscopies UV-vis et RPE, et par voltammétrie cyclique, a révélé la coordination d'une diversité de cinquième ligand, avec une géométrie de type bipyramide trigonale distordue conservée. En solution aqueuse, Cu(II)TMPA possède un ligand aqua en cinquième position, qui se maintient avec 10 % de CH3CN. La réactivité de Cu(I)L (L= TMPA ou modèles Abeta) pour CO a été étudiée en milieu tamponné à pH 7.4 avec 10 % de CH3CN pour augmenter la solubilité du CO dans le milieu. Il a donc été vérifié par des études UV-vis et RPE, que CH3CN à un taux de 10 %, ne participe pas à la sphère de coordination des modèles Cu(II)Abeta. La réactivité des complexes Cu(I)L en présence de CO a été étudiée par RMN 1H, UV-vis, voltammétrie cyclique et FT-IR. La coordination du CO au Cu(I)TMPA a été observée par chaque technique de spectroscopie et électrochimique. Pour les modèles Cu(I)Abeta, la liaison du CO est surtout mise en évidence par des études RMN 1H et de voltammétrie cyclique. Les autres techniques spectroscopiques ne montraient pas de signatures convaincantes, ce qui est probablement dû à la flexibilité des peptides Abeta et donc à la diversité de modes de coordination des complexes Cu-Abeta. Enfin, la réactivité des Cu(I)L envers O2 a été étudiée par voltammétrie cyclique et leur capacité à produire des ERO a été mesurée par des expériences de consommation d'ascorbate. Deux des trois complexes Cu-Abeta ont consommé rapidement l'ascorbate dans HEPES pH 7.4.[...]

Dementia is affecting about 50 million persons worldwide with Alzheimer's Disease (AD) being the most spread one. AD is a neurodegenerative disorder affecting the elderly. High oxidative damages of the brain associated with an abnormally high extracellular level of amyloid-beta peptide (Abeta) leading to its aggregation in senile plaques are typical features of AD. Bio-metal ions such as copper (Cu) are found in high amount in amyloid plaques. Cu was shown to bind Abeta and the resulting complex has the ability to catalyze reactive oxygen species (ROS) production in presence of dioxygen (O2) and a reductant such as ascorbate by cycling between the +I and +II oxidation states. However, the exact catalytic mechanism remains misunderstood. The two coordination spheres of Cu-Abeta (in +I and +II oxidation states) are strongly different, precluding direct electron transfer process. Electrochemical studies revealed that the redox cycling goes through an ''in-between-state'' (IBS) that would be the redox active species and be in equilibrium with the two spectroscopically characterized resting states. The elusive feature of the IBS makes it highly challenging to identify and study. The objective of my thesis was to gain new insights into the IBS reactivity with O2. To overcome its elusive character, carbon monoxide (CO) was used as a redox inactive surrogate of O2 to accumulate CO-bound Cu(I)Abeta intermediates. The well-known tripodal Cu-TMPA (TMPA = tris(2-pyridylmethyl)amine) complex has been used as a reference compound with respect of CO and O2 binding and reactivity. Then truncated Abeta peptides were chosen to identify the minimal binding site of Cu in the IBS in presence of CO and O2. The study of Cu(II)TMPA complexes in solid-state by X-ray crystallography and in solution by UV-vis and EPR spectroscopies, and cyclic voltammetry, revealed the diversity of ligands occupying the fifth Cu(II) position while the distorted trigonal bipyramid geometry is kept. In aqueous solution Cu(II)TMPA has an aqua ligand in fifth position, which remains bound with 10 % of CH3CN as co-solvent. The conditions needed to further study the reactivity of Cu(I)L (L= TMPA or Abeta models) toward CO are in HEPES buffer, pH 7.4 with 10 % CH3CN to increase CO solubility. Hence it was checked that 10 % CH3CN doesn't participate in Cu(II)Abeta models coordination spheres by UV-vis and EPR studies. Then reactivity of Cu(I)L toward CO was studied by 1H NMR, UV-vis, cyclic voltammetry and FT-IR. CO was shown to bind Cu(I)TMPA by all spectroscopic or electrochemical techniques. For Cu(I)Abeta models, CO was shown to bind Cu(I) complexes by 1H NMR and cyclic voltammetry. However the other techniques give less clear-cut signatures of CO binding probably due to the higher flexibility of the peptide ligand inducing a diversity of Cu coordination sites. Finally, the reactivity of Cu(I)L toward O2 was investigated by cyclic voltammetry and their ability to produce ROS was measured by ascorbate consumption experiments. Two out of the three Cu-Abeta complexes were fast consuming ascorbate in HEPES pH 7.4. The last one was shown to partially stop the ROS production while Cu-TMPA has a moderate rate of ascorbate consumption. In contrast, the electro-catalysis of O2 reduction was only clearly observed for Cu-TMPA. Together with the structural insights gained into the Cu(II) species and the Cu(I)-CO adducts, this points out to ligand-dependent mechanism of O2 reduction. The ''IBS state'' mechanism is observed for the peptides only but its contribution (and thus the level of ROS produced) depends strongly on the sequence of the peptide.