Complexes de cuivre et de mercaptoimidazoles, modèles des groupes chromophores des protéines bleues. I.

Institut de Biologie physico-chimique, 13, rue Pierre-et-Marie-Curie, Paris 5 e, France.

Résumé

On décrit la préparation et les propriétés de deux complexes bleus intenses de cuivre et de l-méthyl-2-mercapto-imidazole (HSIm). Ces complexes permettent une approche à l’étude des protéines bleues, en particulier de leurs propriétés spectrales. Ils ont une absorption dans la même région du spectre (600-620 nm) et l’un d’eux (complexe B) possède une absorption molaire jamais encore observée chez les complexes de cuivre : ε₆₂₀ nm = 3650 à 4 000 M^-1 cm^-1, de même ordre de grandeur que celle des protéines bleues. Celte absorption dépend de l’état divalent de cuivre et elle est abolie par sa réduction. La couleur bleue est rétablie par l’oxygène moléculaire et cette réversibilité est analogue à celle des protéines bleues. Le ligand employé, HSIm, ne peut pas être considéré, du point de vue biologique, comme dépourvu d’intérêt, puisque un autre dérivé de inercapto-imidazole, la bétaïne de mercapto- histidine (l’ergothionéine) est présente dans tous les tissus et peut faire partie, à titre exceptionnel, de la chaîne peptidique comme acide aminé N-terminal.

Le premier complexe (A) est celui du cuivre divalent, de formule brute [Cu¹¹(SIm)₂]₂ où deux valences de cuivre sont ioniquement saturées par les résidus Sim, et l’ensemble binucléaire est maintenu par des liaisons de coordination entre les atomes de cuivre et ceux de soufre. Son absorption molaire, rapportée à l’atome-gramme de cuivre, est

ε₆₂₀ = 630 M^-1 cm^-1.

Le sel de cuivre monovalent forme avec HSIm un mercap- tide CuSIm incolore. Lorsqu’on ajoute sa solution incolore à celle du complexe A, on observe une grande augmentation de l'intensité de coloration. Il se forme un autre complexe (B), dont la formule brute correspond à [Cu^II(Cu^ISIm)₅]SIm, ClO₄ ou à [Cu^II(Cu^ISIm)₄]2 Sim, Cu(I) et où l’atome de Cu^II central, mononucléaire, est entouré par 6 atomes de soufre du résidu Sim : une partie de ces résidus est combinée avec le cuivre monovalent.

Le pouvoir catalytique des complexes, dans l’oxydation de l’ascorbate par O₂. n’a pu être mesuré qu’avec le complexe A ; il est de même ordre de grandeur que celui de la céruloplasmine : 9,4 02/Cu, mn. Après l’oxydation de 50 à 100 molécules d’ascorbate par une molécule de complexe A, une partie des molécules du complexe est altérée.

En dehors de 1-méthyl-2-mercaptoimidazole, trois autres substances, appartenant au groupe mercaptoimidazole, ont été employées pour former les complexes analogues de cuivre, à savoir: le 2-mercaptoimidazole, le 4.5-dihydro-2-mercapto- imidazole (éthylène thiourée) et la bétaïne de 2-mercapto- histidine (l’crgothionéine). Leurs complexes analogues à ceux du cuivre et de HSIm sont instables, et leur degré d’instabilité dépend en premier lieu de la nature des substitutions sur le cycle d’imidazole et de la présence d’oxygène. Aussi, ils ne donnent qu’une coloration bleue fugace, sauf le complexe de 2-mercaptoimidazole, qui donne en anaérobiose stricte un spectre et une absorption molaire identiques à celui du complexe CuII et de HSIm.

Abstract

The preparation and properties of two intense blue copper complexes containing l-methyl-2-mercaptoimidazole (HSIm) are described. Of particular interest are their spectral properties : both absorb in the same spectral region (600- 620 nm) as the blue copper proteins. One of these (complex B) has an extinction coefficient highest ever observed for non protein Cu-complexes : ε₆₂₀ nm = 3 650 to 4 000 M^-1 cm^-1, comparable to that of blue Cu-protein. The color is related to divalent copper; it disappears on reduction and reappears in the presence of molecular oxygen, as in the case of the blue proteins. The ligand, HSIm, is not devoid of interest from a biological view point since another derivative of mercaptoimidazole, the betaine of mercaptohistidine (ergothioneine) is in the free state in many tissus and might even (exception- naly) form part of a polypeptide chain in the N-terminal end.

Complexe A, of divalent Cu is described as[Cu^II(SIm)₂]₂ and involves ionic bonds between the metal and the ligand (SIm); the binuclear structure is maintained by coordination bonds between copper and sulphur. It has a molar absorption, ε₆₂₀ nm = M^-1 cm^-1 referred to gm-atom of copper.

Monovalent Cu(asCuClO₄ in acetonitrile) forms with HSIm a colorless mercaptide, CuSIm. Addition of this solution to that of complex A, is accompanied by a large increase in color intensity due to the formation of another complex, B, described by [Cu^II(Cu^ISIm)₅]SIm, C1O₄ or by [CuII(Cu^ISIm)₄]₂ SIm, Cu(I). In either case, the central mononuclear divalent Cu is surrounded by six sulphur atoms pertaining to Sim, a part of these groups are complexed to monovalent copper.

Attempts to make simular complexes have been made also by using 2-mercaptoimidazole, 4,5-dihydro-2-mercaptoimi- dazole (ethylenethiourea) and ergothioneine. They all give complexes which are unstable in air; their unstability is related primarily to the nature of substitution on the hetero- cyclic imidazole ring. Thus, they give a transient blue color, except for the complex with 2-mercaptoimidazole which has under strictly anaerobical conditions, an absorption Spectrum and molar absorbance identical to that of the complex formed, by CuII and HSIm.

The complex A (formed with HSIm) has been examined for its catalytic action in the oxidation of ascorbate by mole- cular oxygen. It is of the same order as that of ceruloplasmine : 9,4 O₂/Cu/mn. The complex suffers partial alteration in course of this catalysis.