TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX ET CHEMINS DE TRANSFERT D’ÉLECTRON 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, 13872.

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

ROLE BIOLOGIQUE POUR LES FLAVOHEMOGLOBINES ? Equation bilan globale: dioxygénation du monoxyde d'azote 2 NO• + NADH 2 O2 2 NO3- NAD+ H+ NADH Flavine Hème

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

MÉCANISME CHIMIQUE: 1) FAD + NADH FADH- + NAD+ 2) 3) FADH- FADH• Heme-FeIII Heme-FeII NO3- NO• O2 3) FADH• FAD, H+ Heme-FeIII Heme-FeII NO3- NO• O2

QUE PEUT APPORTER LA MODELISATION ? DONNEES CINETIQUES EXPERIMENTALES Laura Baciou Emna El Hammi Chantal Houée-Lévin E. el Hammi, C. Houée-Lévin, J. Řezáč, B. Lévy, I. Demachy, L. Baciou, A de la Lande, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 13872. 6.8 ± 0.5 103 s-1 (~150 ms) (radiolyse pulsée/spectro UV-Vis) 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 ? 1e- QUE PEUT APPORTER LA MODELISATION ? AVEC QUELS OUTILS ?

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

DFT I- ETUDE STRUCTURALE DES COFACTEURS MECANIQUE MOLECULAIRE HEME: états de spin les plus stables ? Hème-FeIII: d5  doublet; quartet, sextet ? Hème-FeII: d6  singulet, triplet, quintet ? FLAVINE: états de protonation ? HEME: états de spin les plus stables ? Hème-FeIII: d5  doublet; quartet, sextet ? Hème-FeII: d6  singulet, triplet, quintet ? HEME: états de spin les plus stables ? Hème-FeIII: d5  doublet; quartet, sextet ? Hème-FeII: d6  singulet, triplet, quintet ? DFT MECANIQUE MOLECULAIRE 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) Partition DFT: 85/47 atomes (Hème/flavine) Nombre total d'atomes: 63558 (dont 19 000 molécules d'eau)

I-STRUCTURE OPTIMISEES Hème Quartet et triplet plus stables sur la géomtrie d'équilibre 8.3 0.0 34.0 34.3 0.0 eV kcal/mol

I-PREMIER BILAN THERMODYNAMIQUE contributions internes hème et flavine IP: Potentiel d'ionisation EA: Affinité électronique DEi = 0.5( IP + EA) Hème-FeIII + FADH•  Hème-FeII + FADH+ Hème-FeIII + FAD•-  Hème-FeII + FAD +1.398 eV (32.2 kcal/mol) -3.254 eV (-75.0 kcal/mol) CONTRIBUTIONS DE L'ENVIRONNEMENT ?

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

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

RESULTATS A partir de 5 ns de simulation Hème-FeIII + FADH•  Hème-FeII + FADH+ Hème-FeIII + FAD•-  Hème-FeII + FAD +2.57eV +1.40 eV (contribution interne) espèce formée dans l'expérience +3.97 eV +0.59 eV -3.26 eV (contribution interne) -2.66eV transfert Flavine  Hème implique la perte de proton ?

AUTRES HYPOTHESES Echantillonage des conformations de la flavoHb 4 simulations de 50 ns 4.01 Variations de 0.1 eV (mouvements lents dans la protéine, en cours d'analyse…) 3.99 3.90 Autres formes conformationnelles 3.81 3.73 10 20 30 40 El Hammi et al. Biochem. 2011, 50, 1255

D A II-CHEMINS DE TRANSFERT D’ELECTRONS D. N. Beratan et Coll. 1991 atomes D. N. Beratan et Coll. 1991 liaison Hydrogène Rlh liaison covalente “vide” (absence de liaisons) Rvide D X H B f A 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

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

Couplage avec des méthodes d'échantillonage de geometries II- PRISE EN COMPTE DES FLUCTUATIONS THERMIQUES D A D A 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, 11700. Application aux T.E. de la chaine respiratoire de parracoccus denitrifican : de la Lande et al. PNAS 2010, 107, 11799.

II- UN TYPE DE CHEMIN DOMINE DANS LA FLAVOHB C7M Chemins type "His" ProA C8M Chemins type "ProA" CHA Chemins type "ProD" ProD E. el Hammi, C. Houée-Lévin, J. Řezáč, B. Lévy, I. Demachy, L. Baciou, A de la Lande, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 13872.

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

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

REMERCIEMENTS LCP, Groupe ThéoSim LCP, Groupe Biophysique 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

couplage électronique II-THEORIE DE MARCUS DES TRANSFERTS D'ELECTRONS Hypothèses d'applications Limite perturbative (couplage H12 faible ) Haute température (ambiante) couplage électronique Force motrice Energie de reorganisation