transferts d’Électrons dans les flavohÉmoglobines États de protonation, potentiels redox

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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.

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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 Presentation

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Page 1: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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.

Page 2: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

MODELISATION DES PROCESSUS BIOPHYSIQUES COMPLEXES Equipe EDIP, groupe TheoSim

Isabelle DemachyAurélien de la LandeBernard LévyJacqueline RidardNatacha Gillet (doct.)

Page 3: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 4: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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.

Page 5: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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)

Page 6: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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.

Page 7: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

I – CARACTERISATION THERMODYNAMIQUE

II – CHEMINS DE TRANFERTS D'ELECTRONS

PLAN

Page 8: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 9: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 10: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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 ?

Page 11: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

I-CONTRIBUTIONS DE L'ENVIRONNEMENTnon-homogènecompositepartiellement ordonné

fluctuations dynamiques

Protéine

contre-ions

phospholipide

Eau

Page 12: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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.

Page 13: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 14: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 15: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 16: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

II- RECHERCHE DU MEILLEUR CHEMIN DE TRANSFERT

D

A

Algorithme de Dijkstra

implémentation avec H. Rezac, Prague

Page 17: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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.

Page 18: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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.

Page 19: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 20: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 21: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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

Page 22: TRANSFERTS D’ÉLECTRONS DANS LES FLAVOHÉMOGLOBINES ÉTATS DE PROTONATION, POTENTIELS REDOX

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