Cinétique de racémisation dans les protéines d’ossements pléistocènes du Sud de la France Kinetics of Racemization in Proteins from Pleistocene Bones of Southern France Kinetik der Razemisierung in den Proteinen von Gebeinen im Süden Frankreichs

RÉSUMÉ

Nous avons suivi l'évolution des taux de racémisation de l'acide aspartique et de l'acide glutamique des protéines d'ossements fossiles. Ces ossements proviennent de huit sites préhistoriques du Sud de la France dont nous avons sélectionné douze niveaux stratigraphiques d'âges compris entre 20 000 ans et 1 million d'années. Dans un premier temps, nous avons mesuré les taux de racémisation sur l'ensemble des acides aminés contenus dans les ossements, sans sélection préalable. Les résultats obtenus par cette approche sont dispersés et inutilisables en géochronologie. Dans un second temps, nous avons réalisé une sélection des protéines fossiles basée sur leur taille (extraction par l'EDTA suivie d'une dialyse) ou sur leur solubilité (matériel insoluble dans un faible volume de HCI 1M). Les matériels protéiques issus de ces sélections présentent des taux de racémisation dont les évolutions se font en deux parties. Les taux de racémisation croissent rapidement dans un premier intervalle qui s'étend jusqu'à environ 50 000 ans. Dans une seconde phase, la racémisation progresse beaucoup plus lentement. Ce comportement cinétique s'apparente à celui observé à de nombreuses reprises dans des séries de fossiles carbonates. Nous avons testé l'ajustement d'une fonction bi-exponentielle à chacune des quatre séries de valeurs (Asp et Glu, extraits EDTA et HCI). Les ajustements sont satisfaisants pour l'acide aspartique, tandis que les valeurs de l'acide glutamique sont plus dispersées. Ce type de cinétique pourrait être provoqué par les contraintes stériques et électrostatiques subies par les acides aminés dans les protéines. Des courbes de même nature ont été décrites par plusieurs auteurs à partir de coquilles et de coraux. La confirmation de ces résultats sur un plus grand nombre de sites ouvrirait la voie à la datation absolue des ossements fossiles dans un très large intervalle de temps.

ABSTRACT

The racemization ratios of aspartic and glutamic acids in fossil bone proteins were studied. The bones originated from eight prehistoric sites of southern France from which twelve stratigraphie levels were selected. Their ages are included between 20,000 to 1,000,000 years. Firstly, the racemization ratios were determined in total extract (whole of amino acids present in bone obtained by 6 M HCI hydrolysis of the bone powder). The results of such an approach are scattered and they are of no use to geochronology. Next, fossil proteins were selected according to their molecular weights by extraction with 0.5 M EDTA and 10,000 Dalton dialysis or according to their solubilities by dissolution in 1 M HCI, 8 ml.g^-1 and centrifugation. The racemization ratios determined on both dialysed extract and HCI insoluble part exhibit evolutions in two parts. Each of the two parts corresponds to a "pseudo first-order" kinetics, but in the first period (until ca. 50,000 years) racemization ratios increase rapidly, while in the second one (ca. 100,000 -1 My) the apparent rate constants are lower. Such a behaviour was previously described in various series of carbonated fossils (shells, corals…). We tested the fit of a sum of two exponential functions to the four series of values (Asp and GIu, EDTA + dialysis or HCI insoluble). The fits are good for aspartic acid, while the results for glutamic acid are more scattered. The bi-exponential kinetics could be caused by steric and electrostatic interactions between amino acids inside proteins. The corroboration of this result on a large number of sites should allow the absolute dating of fossil bones within a wide time interval.

ZUSAMMENFASSUNG

Wir haben die Entwicklung der Razemisierungsrate von Asparaginsâure und Glutaminsàure der Protéine fossiler Gebeine untersucht. Diese Gebeine stammen von acht pràhistorischen Fundstellen, von denen wir zwôlf stratigraphische Niveaus von einem Alter zwischen 20 000 Jahren und einer Million Jahren ausgewâhlt haben. Zuerst haben wir die Razemisierungsrate aller in den Gebeinen enthaltenen Aminosâuren gemessen, ohne vorherige Auswahl. Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind zerstreut und in der Geochronologie nicht verwendbar. In einem zweiten Schritt haben wir eine Auswahl der fossilen Gebeine getroffen, indem wir uns auf ihre Grosse oder ihre Lôslichkeit stùtzten. Das Proteinmaterial, das wir bei dieser Auswahl gewannen, zeigt eine Razemisierungsrate, deren Entwicklung sich in zwei Teilen vollzieht. Die Razemisierungsraten nehmen in einem ersten Intervall, das sich bis etwa 50 000 Jahre erstreckt, rasch zu. In einer zweiten Phase geht die Razemisierung sehr viel langsamer voran. Dieses kinetische Verhalten âhnelt dem, das man immer wieder in Serien karbonisierter Fossile beobachtet. Wir haben die Anpas-sung einer Bi-Exponential-Funktion an jede der vier Serien von Werten getestet. Die Anpassungen sind, was die Asparaginsâure betrifft, zufriedenstellend, wohingegen die Werte der Glutaminsàure mehr zerstreut sind. Im Zuge einer uberlegung zu den durch die Razemisierung der Aminosâuren in den Proteinen erlittenen Belastungen hatte man die Existenz einer Bi-Exponential-Kinetik vorgeschlagen. Es scheint, dass die Aminosâuren der Knochen-Proteine sich nach demselben Kinetik-Typus richten. Sollte sich dieses Ergebnis an einer grôsseren Zahl von Fundstellen bestàtigen so ware der Weg zu einer absoluten Datierung der fossilen Gebeine fur einen sehr grossen Zeitraum geôffnet.