Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) La mécanique moléculaire.

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1 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) La mécanique moléculaire

2 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Plan 1.Introduction 2.Le champ de forces 2.1. Energie de liaison 2.2. Energie d‘angle 2.3. Energie d‘angle dièdre 2.4. Energie d‘angle dièdre impropre 2.5. Energie électrostatique 2.6. Energie de Van der Waals 2.7. Energie de liaison hydrogène 3.Le type atomique 4.Conclusions

3 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 1. Introduction Modélisation moléculaire Définition? Utilisation des ressources informatiques pour résoudre des problématiques de la chimie. Simulation de la réalité physique des molécules : au niveau atomique. Idée de base: Une molécule est traduite en une énergie. La structure moléculaire la plus probable est celle qui représente l'énergie la plus basse.

4 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 1. Introduction Modélisation moléculaire: schéma général Coordonnées d’une molécule Traduction en énergie Modification des coordonnées pour baisser l’énergie Analyses

5 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 1. Introduction

6 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 1. Introduction La modélisation quantique à un apport essentiel à la modélisation mais: - Temps de calcul important - Limite en taille (300 atomes?) On cherche des méthodes plus rapide et fiable pour les gros systèmes. Gros systèmes, exemple biologique: Protéine > 4000 atomes ADN> 1000 atomes La mécanique moléculaire!

7 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de forces En mécanique moléculaire on simplifie le système: L'atome est considéré comme un ensemble qui comporte le noyau et les électrons. La répartition de la charge sur l'atome est ponctuelle, on parle de charge partielle. Les liaisons covalentes sont assimilées à des liens qui peuvent se déformer, un peu analogue à des ressorts. L'énergie se décompose alors en une somme d'interactions: Termes liants Termes non-liant

8 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de forces 2.1 Energie de liaison:

9 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de forces

10 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de forces 2.2. Energie d'angle: Type de potentiel quasi-identique à celui des laisons (mais pas les mêmes constantes!).

11 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de forces 2.3. Energie d'angle dièdre: La multiplicité tiens compte de l'hybridation et du type d'orbitale moléculaire. Elle représente le nombre de minima dans la courbe d'énergie potentielle

12 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de forces 2.3. Energie d'angle dièdre:

13 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de force 2.4. Energie d'angle impropre: Angle impropre : angle entre deux plans. Permet de maintenir la molécule ou une partie dans un même plan via une contrainte énergétique.

14 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de force 2.4. Energie d'angle impropre: Angle impropre : intérêt pour les biomolécules.

15 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de force 2.5. Energie électrostatique Energie non-liante Interaction attractive ou répulsive. Longue distance. Attention, la plupart des champs de forces sont non-polarisable.

16 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de force 2.5. Energie électrostatique En MM cette équation pose deux problèmes:  : est difficile à déterminer pour un solvant (voir cours solvant) q : Les charges atomiques partielles n‘évoluent pas lors de la simulation. Il faut donc les déterminer avant. Il existe plusieurs méthodes pour cela.

17 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de force 2.5. Energie électrostatique 1. basées sur un "dictionnaire" (PEOE : partial equalization of orbital electronegativity). Gasteiger, Kollman, Marsili…  Instantanée mais peu précis, ne dépend pas de la structure 3D  Pas applicable pour des molécules originales  Marche étonnamment bien 2. basées sur la densité électronique calculée en QM. Mulliken, Baader  Plus long mais plus précis, dépend peu de la conformation 3D  Le partionnement des liaisons pose des problèmes => AM1-BCC 3. Basées sur le potentiel électrostatique, calculé en QM. RESP, RED  Beaucoup plus long avec la meilleure précision  Dépend fortement de la conformation utilisée

18 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) 2. Le champ de force 2.6. Energie de Van der Waals Interaction attractive ou répulsive, à courte distance. On utilise un potentiel de Lennard-Jones

19 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Rappels mécanique moléculaire Energie de liaison hydrogène: Interaction courte distance et directionnelle. Elle n'est généralement pas intégrée dans un calcul et appréhendée comme une somme d'interaction électrostatique et vdw.

20 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Rappels mécanique moléculaire Energie de surface: Comment rendre compte de l'adsorption sur une surface? Plusieurs potentiels ont été développés dans ce sens. Problèmes: interaction électrostatique de surface uniquement? Déformation de la surface? Transfert d'électron?

21 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Rappels mécanique moléculaire Energie de surface: Calcul d'interaction: potentiel d'Hentschke

22 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Rappels mécanique moléculaire Energie de surface: d l distance séparant la première et le l ième plan de la maille nl nombre d'atomes dans le l ième plan de la maille z distance perpendiculaire entre l'atome considéré et la surface  gain énergétique maximale de l'énergie de Van der Waals  diamètre de collision de l'énergie de Van der Waals

23 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Intérêt du calcul énergétique Calcul d'énergie d'interaction: A + B C  E = Ec – Ea – Eb Les proportions suivent une statistique de Boltzmann. En étudiant plusieurs conformations ont peut estimer le mode d'interaction.

24 Intérêt du calcul énergétique Calcul d'énergie d'interaction: A + B C

25 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Intérêt du calcul énergétique Exemple: Développement des GBP : Gold Binding Protéine MHGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQSMHGKTQATSGTIQSMHGK ALVPTAHRLDGNMHALVPTAHRLDGNMHALVPTAHRLDGNMHALVPTAHRLDGNMHALVP LQATPGMKMRLSGAKEATPGMKMRLSGAKEATPGMSTTVAGLLQATPGMKMRLSGAKEAT Reconnaissent spécifiquement les surfaces d'or. Première étape vers la formation de nouveaux matériaux. Première étape (longue) prédiction des structures des protéines: - Modélisation par homologie - Dynamique moléculaire en solvant explicite - Extraction des conformations les plus significatives

26 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Intérêt du calcul énergétique

27 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) Intérêt du calcul énergétique

28 Dr. Florent Barbault, ITODYS (CNRS UMR 7086) FIN