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

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.

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

** *

• Les alkyles-glycosides

• Présent dans les membranes cellulaires

• Biodégradables et non toxiques

• Utiliser pour l’extraction 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)

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

(NDDM75-80) 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.

Bibliothèque de paramètres pour les glycolipides à base de glucose basée sur glycam06

gg rotamer (57 %) gt rotamer (38 %) tg rotamer (5 %)

1 – Optimization geométriqueStep 1: GAUSSIAN 2003Theory level 1: HF Options: Opt=Tight, RedundantBasis set 1: 6-31G**# Configs: 2 par sucre et 1 par lipide

3 – Fit des chargesStep 3: RESP avec contrainte q=0e sur les atomes H (type HC sp3) => compatibilité avec GLYCAM.

2 – Calcul des potentiels électrostatiquesmoléculaires Step 2: GAUSSIAN 2003Theory level 2: HF Options: IOp(6/33=2) Basis set 2: 6-31G*Algorithme: CHELPG

conf. étendue

http://q4md-forcefieldtools.org/REDDB/projects/F-72/

(Avec F-Yves Dupradeau)

Extension à d’autres glycolipides avec l’ajout de différentes « briques ».

α-glucose

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 PA SA

NDDM 75

idem

132

idem

NH2O 13771 18389

Natm. 47388 65859

mH2O/mT (%) 86.6 83.1

T (K) 297 297

[DDM] (M) 0.26 0.33

tsim (ns) 14.0 45.0 14.0 15.0

a Dupuy et al. (1997); 13, 3965 b Kuttel, M. ; Brady, J. W.; Naidoo, K. J. JCC (2002), 23, 1236-1243 c Kirschner, K. N et al. JCC. (2008) 29 (2008) 622-55.

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

<Rg> = 20.1 Å< a/c> = 1.8

<Rg> = 25.2 Å< a/c> = 1.7

double exponentielle

CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM)

α-DDM β-DDM α-DDM β-DDM 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

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 α-DDM β-DDM 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

Paramètres de surfaces des micelles en fonction de têtes et du champs de force

α-DDM (GLYCAM) β-DDM (GLYCAM)

Figures sans les atomes d’hydrogènes

Légende:

- En vert Chaine: chaine C12

- En bleu fonce: GlcA

- En cyan: GlcB

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

Hydratation des têtes polaires des détergents

Nwall (Exp) 8-14Nw

MALT Exp 8 a Mol. H2O d’hydratation unique (cutoff 4.0 Å) Warr, 1986; Cecutti et al. 1991 et Dupuy et al. 1997)

CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM)

nwa α-DDM β-DDM α-DDM β-DDM 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

0.24.9 0.1 + 0.5 + 0.5

nwGlcB 3.1 ± 0.1 3.0 ± 0.1 2.9

0.12.3 0.1 + 0.2 + 0.7

nwC12 0.8 ± 0.1 0.8 ± 0.1 0.6

0.10.6 0.1 + 0.2 + 0.2

nwDDM 9.1 ± 0.1 9.4 ± 0.1 8.2

0.27.8 0.1 + 0.7 1.6

CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM)

g(r) α-DDM β-DDM α-DDM β-DDM α-DDM β-DDM

O1-Ow 0.2 0.5 0.2 0.4 0.0 + 0.1O2-Ow 2.3 2.7 2.1 2.6 + 0.2 + 0.1 O3-Ow 3.6 3.7 3.0 3.4 + 0.6 + 0.3O4-Ow 2.0 2.6 1.9 2.4 + 0.1 + 0.2O5-Ow 1.1 1.3 1.3 1.0 - 0.2 + 0.2O6-Ow 3.1 2.5 3.2 2.4 - 0.1 + 0.1O7-Ow 0.7 0.8 0.5 0.4 + 0.2 + 0.4O8-Ow 2.4 1.9 2.3 1.5 + 0.1 + 0.4O9-Ow 2.4 2.0 2.4 1.6 0.0 + 0.4O10-Ow 0.8 0.9 0.6 0.5 + 0.2 + 0.4O11-Ow 2.0 1.7 1.8 1.3 + 0.2 + 0.4

Total 20.6 20.6 19.3 17.5 +1.3 + 3.1

MALT

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

a Bogusz JPCB 104, 5462

COCC jonction GlcA-chaine alkyl

Micelle OG (CHARMM) a ftrans=0.80

(φ,ψ)≈(-50o,-33o)

(φ,ψ)≈(-46o,-32o)

(φ,ψ)≈(-50o,-33o)

(φ,ψ)≈(-47o,-34o)

Maltose en solution

(φ,ψ)exp≈ (-70o,-35o)

(RMN, RX)

(φ,ψ)AMBER≈(-35o,-20o)

(φ,ψ)CHARMM≈(-50o,-35o)

-DDM -DDM

Conformation des angles φ et ψ de la liaison glycosidique α-1-4

φψ

-DDM -DDM

(CHARMM)

(GLYCAM)

Diffusion de translation de l’eau interfaciale

CHARMM GLYCAM Δ (CHARMM-GLYCAM)

Système α-DDM β-DDM α-DDM β-DDM 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 rapidew /w b 6.75 6.53 11.7 11.3

Eau pure TIP3 bw =2.8 ps

α2tr(0)r(t)

MD micelle LDAOa

α = 0.85w = 3.2 ps

MD micelle OGb

α = 0.35w = 15 ps

a Sterpone et al. JPCB, 110, 11504 b Bogusz , JPCB 105, 8312

w : temps de résidence

Conclusions

• Forme des micelles ellipsoïdales (a/c= 1.20-1.35) 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).

Simulation moléculaires explicites de micelles directes des deux conformations de DDM dans les conditions d’une phase L1 expérimentale