transferts d’Électrons dans les flavohÉmoglobines États de protonation, potentiels redox
DESCRIPTION
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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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 DemachyAurélien de la LandeBernard LévyJacqueline RidardNatacha Gillet (doct.)
ROLE BIOLOGIQUE POUR LES FLAVOHEMOGLOBINES ?
2 NO• + NADH + 2 O2 2 NO3- + NAD+ + H+
Equation bilan globale: dioxygénation du monoxyde d'azote
H
O
O
NH
NN
N
R
Flavine
O
O-
N
N N
N
O
O-
Fe I I / I I I
Hème
O
NH2H H
N
R
NADH
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.
1) FAD + NADH FADH- + NAD+
MÉCANISME CHIMIQUE:
FADH-
FADH•
Heme-FeIII
Heme-FeII
NO3-
NO•O2
FADH•
FAD, H+
Heme-FeIII
Heme-FeII
NO3-
NO•O2
2)
3)
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 BaciouEmna El HammiChantal Houée-Lévin
(radiolyse pulsée/spectro UV-Vis)
1e-
6.8 ± 0.5 103 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, 13872.
I – CARACTERISATION THERMODYNAMIQUE
II – CHEMINS DE TRANFERTS D'ELECTRONS
PLAN
I- ETUDE STRUCTURALE DES COFACTEURS
HEME: états de spin les plus stables ?
Hème-FeIII: d5 doublet; quartet, sextet
?
Hème-FeII: d6 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: 63558 (dont 19 000 molécules d'eau)
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 ?
FLAVINE: états de protonation ?
H
O
O
NH
NN
N
RO
O
NH
NN
N
R
I-STRUCTURE OPTIMISEES
8.3 0.0 34.0
34.3 0.0
eV kcal/mol
Quartet et triplet plus stablessur la géomtrie d'équilibre
Hème
I-PREMIER BILAN THERMODYNAMIQUE
IP: Potentiel d'ionisation
EA: Affinité électronique
Ei = 0.5( IP + EA)
contributions internes hème et flavine
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'ENVIRONNEMENTnon-homogènecompositepartiellement ordonné
fluctuations dynamiques
Protéine
contre-ions
phospholipide
Eau
I-DYNAMIQUES MOLECULAIRES CLASSIQUES
Dynamiques moléculaires classiques
cas de la réaction Hème-FeIII + FADH• Hème-FeII + FADH+
Hème-FeIII , FADH•
Hème-FeII , FADH+
FADHFeFADHFeFADHFeFADHFeFADHFeFADHFeext IIIIIIIIIIIIIII VVVVG2
1
Echantillonage des
conformations accessibles
(état FeII , FADH+)
Echantillonage des
conformations accessibles
(état FeIII , FADH•)
écart énergétique vertical
écart énergétique vertical
J. Blumberger, Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 5651.
RESULTATS
Hème-FeIII + FADH• Hème-FeII + FADH+
Hème-FeIII + FAD•- Hème-FeII + FAD
+2.57eV
+0.59 eV
A partir de 5 ns de simulation
+1.40 eV
-3.26 eV
+3.97 eV
-2.66eV
(contribution interne)
(contribution interne)
transfert Flavine Hème implique la perte de proton ?
espèce forméedans l'expérience
AUTRES HYPOTHESESEchantillonage des conformations de la flavoHb
Autres formes conformationnelles
4 simulations de 50 nsVariations de 0.1 eV(mouvements lents dans la protéine, en cours d'analyse…)
El Hammi et al. Biochem. 2011, 50, 1255
II-CHEMINS DE TRANSFERT D’ELECTRONS
liaison Hydrogène
Rlh
D
A
X H B
liaisoncovalente “vide”
(absence de liaisons)Rvide
atomes
6.051.0exp cov.ε
)2.23(cos-2.0)0.64(R-expεε lh2clh 1exp.
1.4)2.25(Rexpεε videcvide
D. N. Beratan et Coll. 1991
Bonne conduction
Mauvaise conduction
Nvide
videNlh
lhN
contactDADA HH
covcov
.8. )21.7(R-expεε lh2clh
calibration sur des calculs de chimie quantique (DFT sous contrainte)de la Lande, Salahub J. Mol. Struct. THEOCHEM 2010, 943, 115
*
*
AelD H ˆDAH
II- RECHERCHE DU MEILLEUR CHEMIN DE TRANSFERT
D
A
Algorithme de Dijkstra
implémentation avec H. Rezac, Prague
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, 11700.
Application aux T.E. de la chaine respiratoire de parracoccus denitrifican : de la Lande et al. PNAS 2010, 107, 11799.
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, 13872.
II-IMPORTANCE DES GROUPEMENTS POLAIRES A L'INTERFACE
ProA
Lys84C8M
2hb
ProA
Lys84C8M
2hb
ProA
Glu394
Lys84
C8M
C7M
3hb
Lys84
Glu394
C8M
C7M
2hb
H
O
O
NH
N N
N
R
O
O-
N
N N
N
O
O-
Fe
H
H
O
NH3+
C8M
ProA
Lys84
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 ThéoSimIsabelle DemachyBernard LévyNatacha Gillet (doctorante)
LCP, Groupe BiophysiqueLaura BaciouChantal Houée-LévinEmna El Hammi
Académie des Sciences Rep. tchèqueJan (Honza) Řezáč
Université de Calgary, CanadaDennis Salahub
CINVESTAV, MexiqueAndreas Köster
II-THEORIE DE MARCUS DES TRANSFERTS D'ELECTRONS
RT4 ΔG
expH12π
k0
212
2
4 RT
couplage électronique
Force motrice
Energie de reorganisation
Hypothèses d'applications Limite perturbative (couplage H12 faible ) Haute température (ambiante)
AelD H ˆDAH