Simulations de dynamique moléculaires des détergents: Applications à l’étude des micelles

directes d’acide gras et de glycolipides

Simulations de dynamique moléculaires des détergents: Applications à l’étude des micelles

directes d’acide gras et de glycolipides

Stéphane Abel, Massimo Marchi

CEA, DSV/iBiTeC-S/SB2SM/LBMS, Saclay

Stéphane Abel, Massimo Marchi

CEA, DSV/iBiTeC-S/SB2SM/LBMS, Saclay

GDR 2748 Protéines membranaires. Les Houches 9 - 13 Mars 2009GDR 2748 Protéines membranaires. Les Houches 9 - 13 Mars 2009

Avant proposAvant proposAvant proposAvant propos

Les simulations de dynamique moléculaires sont des outils de choix pour étudier la structure des détergents en solution (et notamment des micelles) : plus de 500 articles depuis la fin des années 80 (source web of science).

Deux exemples pour ce GDR de simulations de dynamique moléculaires appliquées à l’étude structurale : Des micelles d’acide linoléique utilisées dans les études de radiolyse: Examen de

l’influence des conditions initiales.

Des micelles de dodecyl maltoside utilisées dans la solubilisation douce des

protéines membranaires: Examen de l’influence de la conformation des têtes polaires

sur la structure des micelles

En bref: L’acide linoléique (AL) est un acide gras -6 avec 18 carbones

Sphériques en solution aqueuse (cmc = 2mM à pH=11.5) de dimension RM≈ 22 - 24 Å

(cryo-TEM ou SANS)

Template pour la formation de nanoparticules métalliques

par radiolyse.

Peu d’autres données structurales pour modéliser les micelles d’AL (et notamment

Nagg)

Utilisation d’un modèle géométrique pour le choix de Nagg et de RM

Les micelles d’acide linoléiqueLes micelles d’acide linoléiqueLes micelles d’acide linoléiqueLes micelles d’acide linoléique

2Mhm

3

4x)NS(1S

3

4

πR

RNLSV Mhm

MR)x1(L3

)1/(1 xf

Considérant que xCH2*Nagg (avec 0 < xCH2 < 17) , Sh=21 Å2 et L = 23 Å

Volume et surface de la micelle :

Fraction de surface hydrophile de la micelle:

Différentes simulations avec Nagg = 50, 60, 75, 90, meilleurs accords pour Nagg = 60, RM = 19.4 Å et f = 26.6 %

Détails des simulations Détails des simulations Détails des simulations Détails des simulations

Association des molécules d’AL en micelles (M60-S)

Deux protocoles de simulation: préformée et self-assemblée60 molécules de LIN, 60 Na+ et 9997 mol. d’eau TIP3 pour [LIN]=0.3 M Système préformée (M60-P): Micelle manuellement construite est placée dans une

boite d’eau octaédrique tronquée (a=b=c=75 Å and =β=γ=109.472o) Système self-assemblée (M60-S): les molécules de LIN et de Na+ sont placées

aléatoirement dans une boite cubique d’eau avec a = 69 Å

Simulations avec le code ORAC dans les conditions NPT (P= 0. 1 MPa et T= 300 K) avec prise en compte de l’électrostatique et des conditions périodiques. Champs de CHARMM27 avec les paramètres de torsions en cis pour les molécules de LIN.

Processus d’agrégation en 2 étapes rapides et lentes.

Comparaison entre les micelles préformées et self-agrégéesComparaison entre les micelles préformées et self-agrégées Comparaison entre les micelles préformées et self-agrégéesComparaison entre les micelles préformées et self-agrégées

Preformed (M60-P) t = 10 nsPreformed (M60-P) t = 10 ns Self-assembled (M60-S) t = 31 nsSelf-assembled (M60-S) t = 31 ns

Système a/c RM (Å) f(%) ncoo-OW

Geom. Model - 19.4 26.6 -

Exp. (SANS) - 22.0 - 24.0 - -

M60-S 1.2419.0a

(24.6b) 28.0 3.8 - 3.9

M60-P 1.2319.0a

(24.6b) 26.5 3.8 - 3.9

M60-P

M60-S

f : fraction de surface hydrophile de la micelle sur la surface totale. nhg-OW: nombre moyen d’hydratation.

Les alkyls glycosidesLes alkyls glycosides

En bref: Présent dans les membranes cellulaires

Biodégradables et non toxiques.

S’assemblent en différentes structures (micelles, membranes)

Utilisation courante pour l’extraction et la solubilisation des protéines

membranaires permettant de garder intact leur activité fonctionnelle.

Tiré de Walian et al. (2004)

β-Octyl-Glucoside (OG)

β-Dodecyl-Maltoside (β-DDM)

Le dodecyl maltoside (DDM) Le dodecyl maltoside (DDM)

A deux anomères ( et ) avec des propriétés différentes: CMC: 1.5 x 10-4 mol.l-1 () et 2.0 x 10-4 mol.l-1 ()

Petites micelles sphériques avec la forme (NDDM75-80)

alors que forme des micelles oblates (NDDM100-135)

Micelles quasi-sphériques pour et oblates pour Peu d’informations sur la structure des micelles en solution aqueuse

(essentiellement SANS et SAXS).

Motivations de l’étudeConstruction d’un model moléculaire du détergent DDM pour

simuler les interactions proteine-peptide/glycolipides.

Examen l’influence de la conformation de la tête polaire sur la structure

des micelles.

tsim =240 fs

tsim =7 ns

tsim =14 ns

-DDM-DDM

Système -DDM -DDM

NDDM 75 132

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 14.0

Les simulations

2 tailles de micelles pré-assemblées avec nombre d’agrégation (NDDM) issus

de SAXS et SANS (Dupuy et al. 1997)

Champs de force tirés de CHARMM (chaine alkyl et tête polaire maltose)

Modèle d’eau TIP3

Conditions périodiques, SPME

Simulations NPT (P = 0.1 MPa et T = 297 K) avec le code ORAC

DM de micelles avec les deux anomères de DDMDM de micelles avec les deux anomères de DDM

β-DDM

-DDM

Réarrangement des glycolipides

<Rg> =26.5 ± 0.1 Å

Rgexp = 23.5 ± 1 Å

<Rg> =20.5 ± 0.1 Å

Rgexp = 18.5 ± 1 Å

Dimensions des micellesDimensions des micelles

Paramètres de forme des micellesParamètres de forme des micelles

System Région a (Å) b (Å) c (Å) ell. a/c

-DDM MicelleExp.a

CoreExp. a

28.8 ± 0.724.0 ± 1.021.9 ± 0.818.6 ± 1.0

26.6 ± 0.624.0 ± 1.019.2 ± 0.618.6 ± 1.0

23.9 ± 0.524.0 ± 1.016.5 ± 0.618.6 ± 1.0

0.821.000.751.00

1.20 ± 0.041.00

1.33 ± 0.101.00

<lpl> (Å) 6.9 (5.4) 7.4 (5.4) 7.4 (5.4)

-DDMMicelleExp. a

CoreExp. a

38.4 ± 0.834.4 ± 1.032.1 ± 0.828.2 ± 1.0

35.2 ± 1.634.4 ± 1.027.3 ± 1.628.2 ± 1.0

28.5 ± 1.120.3 ± 1.019.9 ± 1.114.1 ± 1.0

0.740.590.620.50

1.35 ± 0.071.70

1.61 ± 0.132.00

<lpl> (Å) 6.3 (6.2) 7.9 (6.2) 8.6 (6.2)

lpl a, b, c = Micelle a, b, c - Core a, b, c <lpl a, b, c> -DDM = 7.2 Å <lpl a, b, c> -DDM = 7.6 Å

at

ac at

acec

atet

ac

a Dupuy et al., 1997

-DDM

β-DDM

Structure internes des micellesStructure internes des micelles

Hydratation des têtes polairesHydratation des têtes polaires

g(r) -DDM -DDM

O1-Ow 0.2 0.4

O2-Ow 2.2 2.5

O3-Ow 3.5 3.3

O4-Ow 1.9 2.3

O5-Ow 2.1 1.9

O6-Ow 2.7 2.6

O7-Ow 0.6 0.8

O8-Ow 1.8 2.4

O9-Ow 2.0 2.4

O10-Ow 0.8 0.8

O11-Ow 2.1 1.8

Total 19.9 21.2

System -DDM -DDM

nwall 12.9 ± 0.2 12.6 ± 0.2

nwhead 12.4 ± 0.2 12.8 ± 0.1

nwGlcA 9.9 ± 0.2 9.7 ± 0.3

nwGlcB 2.5 ± 0.3 3.1 ± 0.3

nwtail 0 0

Nwall Exp 8-14 Nw

head Exp 8

Mol. H2O d’hydratation unique

Système ASAM (Å2) ASADDM (Å2) fTail (%) Ahrg (Å2) Ah

exp(Å2)

-DDM 18404 245.4 ± 5.5 9.4 ± 0.1 70.5 ± 0.6 58

-DDM 32705 248.8 ± 3.7 9.8 ± 0.1 67.1 ± 0.8 52

Warr, 1986; Cecutti et al. 1991 et Dupuy et al. 1997

Diffusion de translation de l’eau interfacialeDiffusion de translation de l’eau interfaciale

Bulk TIP3

-DDMβ-DDM

System α w (ps) w /w b

-DDM 0.49 13.6 4.8

-DDM 0.45 14.4 5.2

Bulk TIP3 1.00 2.8 1.0

α2tr(0)r(t)

wb

http://q4md-forcefieldtools.org/REDDB/index.php

Charges partielles pour 24 glycolipides courants compatibles avec GLYCAM/AMBER

Bibliothèque de paramètres Bibliothèque de paramètres pour les glycolipides pour les glycolipides àà base base de glucosede glucose(en coll. F.Y Dupradeau, UMR6219, Université d’Amiens)(en coll. F.Y Dupradeau, UMR6219, Université d’Amiens)

Merci pour votre attention !!!