Stéphane Abel+, François-Yves Dupradeau║ et Massimo Marchi+

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1 Stéphane Abel+, François-Yves Dupradeau║ et Massimo Marchi+
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 l’ENS-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 l’étude. 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 s’agrégeant 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 l’environnement membranaire et par exemple réduire les phénomènes d’agrégation 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 détergents pour la solubilisation des protéines membranaires (II)
Les alkyles-glycosides Présent dans les membranes cellulaires Biodégradables et non toxiques Utiliser pour l’extraction et la solubilisation « douce » des protéines membranaires. 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 10-4 mol.l-1 () et 2.0 x 10-4 mol.l-1 () Assume former des petites micelles sphériques avec la forme  (NDDM75-80) alors que la forme  forme des micelles oblates (NDDM 132) Peu d’informations (essentiellement SANS et SAXS) sur des micelles en solution. Motivations de l’étude Construction d’un 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
 (Avec F-Yves Dupradeau) 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 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 Extension à d’autres glycolipides avec l’ajout de différentes « briques ». 3 – Fit des charges Step 3: RESP avec contrainte q=0e sur les atomes H (type HC sp3) => compatibilité avec GLYCAM.

7 Détails des simulations
2 tailles de micelles pré-assemblées (PA) et self-agrégées (SA) dans les conditions expérimentales d’une phase L1, similaire à celle de Dupuy et al.a Paramètres des champs de force tirés de CHARMMb et GLYCAM (v06-f)c pour le DDM Modèle d’eau 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-DDM β-DDM Protocole PA SA NDDM 75 idem 132 NH2O 13771 18389 Natm. 47388 65859 mH2O/mT (%) 86.6 83.1 T (K) 297 [DDM] (M) 0.26 0.33 tsim (ns) 14.0 45.0 15.0 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 L’assemblages des monomères de DDM en micelles
Mêmes conditions de simulations que les systèmes pré-assemblées Monomères de  et β DDM modélisés avec GLYCAM double exponentielle <Rg> = 25.2 Å < a/c> = 1.7 <Rg> = 20.1 Å < a/c> = 1.8

9 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 CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM) α-DDM β-DDM Rg (Å) 20.5  0.1 26.4  0.1 20.0  0.1 24.1  0.1 + 0.05 + 2.3 a/c 1.20  0.07 1.35  0.04 1.23  0.03 1.21  0.1 + 0.03 + 0.14

10 Paramètres de surfaces des micelles en fonction de têtes et du champs de force
Figures sans les atomes d’hydrogènes Légende: En vert Chaine: chaine C12 En bleu fonce: GlcA En cyan: GlcB α-DDM (GLYCAM) β-DDM (GLYCAM) CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM) α-DDM β-DDM ASADDM (Å2) 259.0  5.2 251.8  7.6 209.0  5.7 194.9  3.6 + 50.0 +56.9 fTail (%) 11.0  0.2 10.0  0.3 9.8  0.3 9.3  0.2 + 1.2 + 0.7 Ahv (Å2) 231.4  3.9 226.2  3.9 189.2  4.0 176.6  3.5 +42.2 + 49.6 Ah (Å2) 71.7  0.7 66.2  0.4 66.8  0.6 55.5  0.3 + 4.9 + 10.7 Ahrg (exp) (-DDM) = 58 Å2 et (-DDM) = 52 Å2 Dupuy et al. 1997

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

12 Hydratation des têtes polaires des détergents
CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM) nwa α-DDM β-DDM nwMALT 8.3 ± 0.1 8.6 ± 0.1 7.6 ± 0.2 7.2 ± 0.2 + 0.7 + 1.4 nwGlcA 5.2 ± 0.1 5.6 ± 0.1 4.7  0.2 4.9  0.1 + 0.5 nwGlcB 3.1 ± 0.1 3.0 ± 0.1 2.9  0.1 2.3  0.1 + 0.2 nwC12 0.8 ± 0.1 0.6  0.1 nwDDM 9.1 ± 0.1 9.4 ± 0.1 8.2  0.2 7.8  0.1 + 0.7 1.6 MALT a Mol. H2O d’hydratation unique (cutoff 4.0 Å) NwMALT Exp  8 Nwall (Exp)  8-14 Warr, 1986; Cecutti et al et Dupuy et al. 1997) CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM) g(r) α-DDM β-DDM O1-Ow 0.2 0.5 0.4 0.0 + 0.1 O2-Ow 2.3 2.7 2.1 2.6 + 0.2 O3-Ow 3.6 3.7 3.0 3.4 + 0.6 + 0.3 O4-Ow 2.0 1.9 2.4 O5-Ow 1.1 1.3 1.0 - 0.2 O6-Ow 3.1 2.5 3.2 - 0.1 O7-Ow 0.7 0.8 + 0.4 O8-Ow 1.5 O9-Ow 1.6 O10-Ow 0.9 0.6 O11-Ow 1.7 1.8 Total 20.6 19.3 17.5 +1.3 + 3.1

13 Conformation des detergents en fonction de têtes et du champs de force
CCCC chaine alkyl C12 OCCC jonction tête polaire et chaine C12 Micelle OG (CHARMM) a ftrans=0.81 COCC jonction GlcA-chaine alkyl Micelle OG (CHARMM) a ftrans=0.80 a Bogusz JPCB 104, 5462

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

15 Diffusion de translation de l’eau interfaciale
MD micelle LDAOa α = 0.85 w = 3.2 ps MD micelle OGb α = 0.35 w = 15 ps a Sterpone et al. JPCB, 110, b Bogusz , JPCB 105, 8312 w : temps de résidence CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM) Système α-DDM β-DDM α 0.39 0.40 0.38 0.35  0  0.05 w (ps) 18.9 18.30 27.2 30.5  1.5 x plus rapide  1.7 x plus rapide w /w b 6.75 6.53 11.7 11.3 Eau pure TIP3 bw =2.8 ps

16 Conclusions Simulation moléculaires explicites de micelles directes des deux conformations de DDM dans les conditions d’une phase L1 expérimentale Forme des micelles ellipsoïdales (a/c= ) qui changent peu avec le conformation de la tête polaire et le champs de force. Dimensions des micelles (Rg compris 20.0 et 26.4 Å) avec un meilleur accord avec l’expérience pour celles obtenues avec le champs de force dérivé d’AMBER. Peu de changement dans la microstructure des micelles et dans la conformation des détergents en fonction de la conformation de la tête polaire. L’hydratation des têtes polaires des glycolipides changent peu avec la conformation α et β Dynamique de l’eau interfaciale ralentie entre 7-10 fois par rapport à l’eau 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).