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Dynamiques moléculaires explicites de micelles de dodecyl maltoside: influence de la conformation de la tête polaire maltose et du champ de forces sur.

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1 Dynamiques moléculaires explicites de micelles de dodecyl maltoside: influence de la conformation de la tête polaire maltose et du champ de forces sur la structure des agrégats formés Stéphane Abel +, François-Yves Dupradeau et Massimo Marchi + + CEA Saclay, DSV/IBITEC-S/SB2SM Laboratoire des Glucides UMR 6219 Université de Picardie Jules Verne Journées Modélisation de lENS-ENSCP, 15 et 16 juin 2009

2 Plan de la présentation Les détergents pour la solubilisation des protéines membranaires Généralités Les alkyles glycosides et le dodecyl maltoside. Motivations de létude. Paramétrage de nouvelles charges pour les glycolipides basés sur le champs de force AMBER (GLYCAM06) Détails des simulations effectuées Résultats des simulations Conclusions.

3 Les détergents pour la solubilisation des protéines membranaires (I) 1- Constats: Les protéines membranaires (PM) sont amphiphiles par nature (contiennent en même des régions hydrophobes et hydrophiles) La plupart des techniques de solubilisation des PM se déroulent en milieu aqueux. Les PM sagrégeant ou se dénaturant trop rapidement avant de former des cristaux exploitables pour les expériences de RX. 2 – Idées: Couvrir les parties hydrophobes des PM pour mimer lenvironnement membranaire et par exemple réduire les phénomènes dagrégation protéines-protéines « Design » de différents types de détergents (SDS, CHAPS, TX-100, glycolipides, etc.) Mais leurs succès dépendent du type de détergent et de leurs caractéristiques physico-chimiques. Tiré de Deseinhofer et al., science, 245, 1463

4 * * * Les alkyles-glycosides Présent dans les membranes cellulaires Biodégradables et non toxiques Utiliser pour lextraction et la solubilisation « douce » des protéines membranaires. Les détergents pour la solubilisation des protéines membranaires (II) β-Octyl-Glucoside (OG) β-Dodecyl-Maltoside (β-DDM)

5 La molécule de dodecyl maltoside (DDM) A deux anomères ( et ) avec des propriétés différentes: c.m.c : 1.5 x mol.l -1 ( ) et 2.0 x mol.l -1 ( ) Assume former des petites micelles sphériques avec la forme (N DDM 75-80) alors que la forme forme des micelles oblates (N DDM 132) Peu dinformations (essentiellement SANS et SAXS) sur des micelles en solution. Motivations de létude Construction dun model moléculaire (fiable) des anomères du DDM pour les simulations de peptides et protéines membranaires. Comparaisons structurales des agrégats formés en fonction des paramètres du champs de force et de la conformation de la tête polaire maltose pour objectif de modéliser les interactions protéine-peptide/glycolipides.

6 Bibliothèque de paramètres pour les glycolipides à base de glucose basée sur glycam06 gg rotamer (57 %) gt rotamer (38 %) tg rotamer (5 %) 1 – Optimization geométrique Step 1: GAUSSIAN 2003 Theory level 1: HF Options: Opt=Tight, Redundant Basis set 1: 6-31G** # Configs: 2 par sucre et 1 par lipide 3 – Fit des charges Step 3: RESP avec contrainte q=0e sur les atomes H (type HC sp 3 ) => compatibilité avec GLYCAM. 2 – Calcul des potentiels électrostatiques moléculaires Step 2: GAUSSIAN 2003 Theory level 2: HF Options: IOp(6/33=2) Basis set 2: 6-31G* Algorithme: CHELPG conf. étendue (Avec F-Yves Dupradeau) Extension à dautres glycolipides avec lajout de différentes « briques ». α-glucose

7 Détails des simulations 2 tailles de micelles pré-assemblées (PA) et self-agrégées (SA) dans les conditions expérimentales dune phase L 1, similaire à celle de Dupuy et al. a Paramètres des champs de force tirés de CHARMM b et GLYCAM (v06-f) c pour le DDM Modèle deau TIP3 Thermostat et barostat de Nosé-Hoover et Parrinello-Rahman Conditions périodiques aux bords, SPME Simulations NPT (P = 0.1 MPa et T = 297 K) avec le code ORAC (v5.5) α-DDMβ-DDM ProtocolePASAPASA N DDM 75 idem 132 idem N H2O N atm m H2O /m T (%) T (K)297 [DDM] (M) t sim (ns) a Dupuy et al. (1997); 13, 3965 b Kuttel, M. ; Brady, J. W.; Naidoo, K. J. JCC (2002), 23, c Kirschner, K. N et al. JCC. (2008) 29 (2008)

8 Lassemblages des monomères de DDM en micelles Mêmes conditions de simulations que les systèmes pré-assemblées Monomères de et β DDM modélisés avec GLYCAM = 20.1 Å = 1.8 = 25.2 Å = 1.7 double exponentielle

9 CHARMMGLYCAMΔ (CHARMM-GLYCAM) α-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDM R g (Å) a/c Dimensions et formes des micelles en fonction de la conformation des têtes et du champs de force a/c: rapport axe majeur et mineur de la micelle

10 CHARMMGLYCAMΔ (CHARMM-GLYCAM) α-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDM ASA DDM (Å 2 ) f Tail (%) A h v (Å 2 ) A h (Å 2 ) A h rg (exp) ( -DDM) = 58 Å 2 et ( -DDM) = 52 Å 2 Dupuy et al Paramètres de surfaces des micelles en fonction de têtes et du champs de force α-DDM (GLYCAM)β-DDM (GLYCAM) Figures sans les atomes dhydrogènes Légende: - En vert Chaine: chaine C 12 - En bleu fonce: Glc A - En cyan: Glc B

11 Microstructures des micelles en fonction de têtes et du champs de force

12 Hydratation des têtes polaires des détergents N w all (Exp) 8-14N w MALT Exp 8 a Mol. H 2 O dhydratation unique (cutoff 4.0 Å) Warr, 1986; Cecutti et al et Dupuy et al. 1997) CHARMMGLYCAMΔ (CHARMM-GLYCAM) nwanwa α-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDM n w MALT 8.3 ± ± ± ± n w GlcA 5.2 ± ± n w GlcB 3.1 ± ± n w C ± n w DDM 9.1 ± ± CHARMMGLYCAMΔ (CHARMM-GLYCAM) g(r) α-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDM O 1 -O w O 2 -O w O 3 -O w O 4 -O w O 5 -O w O 6 -O w O 7 -O w O 8 -O w O 9 -O w O 10 -O w O 11 -O w Total MALT

13 Conformation des detergents en fonction de têtes et du champs de force CCCC chaine alkyl C 12 OCCC jonction tête polaire et chaine C 12 Micelle OG (CHARMM) a f trans =0.81 a Bogusz JPCB 104, 5462 COCC jonction GlcA-chaine alkyl Micelle OG (CHARMM) a f trans =0.80

14 (φ,ψ)(-50 o,-33 o ) (φ,ψ)(-46 o,-32 o ) (φ,ψ)(-50 o,-33 o ) (φ,ψ)(-47 o,-34 o ) Maltose en solution (φ,ψ) exp (-70 o,-35 o ) (RMN, RX) (φ,ψ) AMBER (-35 o,-20 o ) (φ,ψ) CHARMM (-50 o,-35 o ) -DDM Conformation des angles φ et ψ de la liaison glycosidique α-1-4 φ ψ -DDM (CHARMM) (GLYCAM)

15 Diffusion de translation de leau interfaciale CHARMMGLYCAMΔ (CHARMM-GLYCAM) Systèmeα-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDMα-DDMβ-DDM α w (ps) x plus rapide 1.7 x plus rapide w / w b Eau pure TIP3 b w =2.8 ps MD micelle LDAO a α = 0.85 w = 3.2 ps MD micelle OG b α = 0.35 w = 15 ps a Sterpone et al. JPCB, 110, b Bogusz, JPCB 105, 8312 w : temps de résidence

16 Conclusions Forme des micelles ellipsoïdales (a/c= ) qui changent peu avec le conformation de la tête polaire et le champs de force. Dimensions des micelles (R g compris 20.0 et 26.4 Å) avec un meilleur accord avec lexpérience pour celles obtenues avec le champs de force dérivé dAMBER. Peu de changement dans la microstructure des micelles et dans la conformation des détergents en fonction de la conformation de la tête polaire. Lhydratation des têtes polaires des glycolipides changent peu avec la conformation α et β Dynamique de leau interfaciale ralentie entre 7-10 fois par rapport à leau pure et ne varie peu avec la conformation des têtes polaires des molécules de DDM. Enfin, les résultats obtenus (meilleurs avec AMBER) dépendent sensiblement du champs de force (comparaison en cours avec les nouveaux paramètres CHARMM pour les disaccharides). Simulation moléculaires explicites de micelles directes des deux conformations de DDM dans les conditions dune phase L 1 expérimentale


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