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TRANSFERTS DÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX ET CHEMINS DE TRANSFERT DÉLECTRON Les simulations Numériques en.

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1 TRANSFERTS DÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX ET CHEMINS DE TRANSFERT DÉLECTRON Les simulations Numériques en Chimie à Paris- Sud 24 octobre 2012 E. el Hammi, C. Houée-Lévin, J. Řezáč, B. Lévy, I. Demachy, L. Baciou, A de la Lande Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14,

2 MODELISATION DES PROCESSUS BIOPHYSIQUES COMPLEXES Equipe EDIP, groupe TheoSim Isabelle Demachy Aurélien de la Lande Bernard Lévy Jacqueline Ridard Natacha Gillet (doct.)

3 ROLE BIOLOGIQUE POUR LES FLAVOHEMOGLOBINES ? 2 NO +NADH+2 O 2 2 NO 3 - +NAD + +H+H+ Equation bilan globale: dioxygénation du monoxyde d'azote Flavine Hème NADH

4 LES TROIS DOMAINES DE LA FLAVOHEMOGLOBINE Domaine globine (contient l'hème) Domaine flavine Domaine NADH ~12 Å Entrée protein data bank: 1CQX U. Ermler, R. A. Siddiqui, R. Cramm, B. Friedrich, EMBO J., 1995, 14, 6067.

5 1) FAD + NADHFADH - + NAD + MÉCANISME CHIMIQUE: FADH - FADH Heme-Fe III Heme-Fe II NO 3 - NO O2O2 FADH FAD, H + Heme-Fe III Heme-Fe II NO 3 - NO O2O2 2) 3)

6 DONNEES CINETIQUES EXPERIMENTALES Effet de la protéine (structure et dynamique) ? Bilan thermodynamique de la réaction Influence des molécules d'eau à l'interface entre domaines ? Etats de protonation de la flavine ? QUE PEUT APPORTER LA MODELISATION ? AVEC QUELS OUTILS ? Laura Baciou Emna El Hammi Chantal Houée-Lévin (radiolyse pulsée/spectro UV- Vis) 1e ± s -1 (~150 s) E. el Hammi, C. Houée-Lévin, J. Řezáč, B. Lévy, I. Demachy, L. Baciou, A de la Lande, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14,

7 I – CARACTERISATION THERMODYNAMIQUE II – CHEMINS DE TRANFERTS D'ELECTRONS PLAN

8 I- ETUDE STRUCTURALE DES COFACTEURS HEME: états de spin les plus stables ? Hème-Fe III : d 5 doublet; quartet, sextet ? Hème-Fe II : d 6 singulet, triplet, quintet ? Optimisations de géometries ou dynamiques BO DFT/MM DFT: logiciel deMon2k fonctionnelle OPTX-PBE (+ correction dispersion) base DZVP-GGA polarisation de la densité électronique frontière QM/MM: Link atom Mécanique Moléculaire: logiciel CHARMM champ de force CHARMM27 (corrections CMAP) Interface: Programme CUBY (Coll J. Řezáč, Prague) DFT MECANIQUE MOLECULAIRE Partition DFT: 85/47 atomes (Hème/flavine) Nombre total d'atomes: (dont molécules d'eau) HEME: états de spin les plus stables ? Hème-Fe III : d 5 doublet; quartet, sextet ? Hème-Fe II : d 6 singulet, triplet, quintet ? HEME: états de spin les plus stables ? Hème-Fe III : d 5 doublet; quartet, sextet ? Hème-Fe II : d 6 singulet, triplet, quintet ? FLAVINE: états de protonation ?

9 I-STRUCTURE OPTIMISEES eV kcal/mol Quartet et triplet plus stables sur la géomtrie d'équilibre Hème

10 I-PREMIER BILAN THERMODYNAMIQUE IP: Potentiel d'ionisation EA: Affinité électronique E i = 0.5( IP + EA) contributions internes hème et flavine Hème-Fe III + FADH Hème-Fe II + FADH + Hème-Fe III + FAD - Hème-Fe II + FAD eV (32.2 kcal/mol) eV (-75.0 kcal/mol) CONTRIBUTIONS DE L'ENVIRONNEMENT ?

11 I-CONTRIBUTIONS DE L'ENVIRONNEMENT non-homogène composite partiellement ordonné fluctuations dynamiques Protéine contre-ions phospholipide Eau

12 I-DYNAMIQUES MOLECULAIRES CLASSIQUES Dynamiques moléculaires classiques cas de la réaction Hème-Fe III + FADH Hème-Fe II + FADH + Hème-Fe III, FADH Hème-Fe II, FADH + Echantillonage des conformations accessibles (état Fe II, FADH + ) Echantillonage des conformations accessibles (état Fe III, FADH ) écart énergétique vertical J. Blumberger, Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 5651.

13 RESULTATS Hème-Fe III + FADH Hème-Fe II + FADH + Hème-Fe III + FAD - Hème-Fe II + FAD +2.57eV eV A partir de 5 ns de simulation eV eV eV -2.66eV (contribution interne) transfert Flavine Hème implique la perte de proton ? espèce formée dans l'expérience

14 AUTRES HYPOTHESES Echantillonage des conformations de la flavoHb Autres formes conformationnelles simulations de 50 ns Variations de 0.1 eV (mouvements lents dans la protéine, en cours d'analyse…) El Hammi et al. Biochem. 2011, 50, 1255

15 II-CHEMINS DE TRANSFERT DELECTRONS liaison Hydrogène R lh D A X H B liaison covalente vide (absence de liaisons) R vide atomes D. N. Beratan et Coll Bonne conduction Mauvaise conduction calibration sur des calculs de chimie quantique (DFT sous contrainte) de la Lande, Salahub J. Mol. Struct. THEOCHEM 2010, 943, 115 * *

16 II- RECHERCHE DU MEILLEUR CHEMIN DE TRANSFERT D A Algorithme de Dijkstra implémentation avec H. Rezac, Prague

17 D A D A II- PRISE EN COMPTE DES FLUCTUATIONS THERMIQUES Couplage avec des méthodes d'échantillonage de geometries Application au T.E. dans une monooxygénsase à cuivre: de la Lande et al. J. Am. Chem. Soc. 2007, 107, Application aux T.E. de la chaine respiratoire de parracoccus denitrifican : de la Lande et al. PNAS 2010, 107,

18 Chemins type "ProD" ProD CHA ProA C7M C8M Chemins type "ProA" II- UN TYPE DE CHEMIN DOMINE DANS LA FLAVOHB Chemins type "His" E. el Hammi, C. Houée-Lévin, J. Řezáč, B. Lévy, I. Demachy, L. Baciou, A de la Lande, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14,

19 II-IMPORTANCE DES GROUPEMENTS POLAIRES A L'INTERFACE ProA Lys84 C8M 2hb ProA Lys84C8M 2hb ProA Glu394 Lys84 C8M C7M 3hb Lys84 Glu394 C8M C7M 2hb C8M ProA Lys84

20 CONCLUSIONS Système redox biologique = systèmes complexes (importance d'une vision pleinement multi-échelle) Divers outils de modélisations sont nécessaires Etude poussée de la dynamique à temps longs de la flavohémoglobine Influence de la coordination d'inhibiteurs sur la cinétique de TE

21 REMERCIEMENTS LCP, Groupe ThéoSim Isabelle Demachy Bernard Lévy Natacha Gillet (doctorante) LCP, Groupe Biophysique Laura Baciou Chantal Houée-Lévin Emna El Hammi Académie des Sciences Rep. tchèque Jan (Honza) Řezáč Université de Calgary, Canada Dennis Salahub CINVESTAV, Mexique Andreas Köster

22 II-THEORIE DE MARCUS DES TRANSFERTS D'ELECTRONS couplage électronique Force motrice Energie de reorganisation Hypothèses d'applications Limite perturbative (couplage H 12 faible ) Haute température (ambiante)


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