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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

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

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  1. 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.

  2. MODELISATION DES PROCESSUS BIOPHYSIQUES COMPLEXES • Equipe EDIP, groupe TheoSim • Isabelle Demachy • Aurélien de la Lande • Bernard Lévy • Jacqueline Ridard • Natacha Gillet (doct.)

  3. ROLE BIOLOGIQUE POUR LES FLAVOHEMOGLOBINES ? Equation bilan globale: dioxygénation du monoxyde d'azote Flavine NADH Hème

  4. LES TROIS DOMAINES DE LA FLAVOHEMOGLOBINE Domaine NADH Domaineglobine (contientl'hème) ~12 Å Entrée protein data bank: 1CQX Domaine flavine U. Ermler, R. A. Siddiqui, R. Cramm, B. Friedrich, EMBO J., 1995, 14, 6067.

  5. MÉCANISME CHIMIQUE: 2) 1) FAD + NADH FADH- + NAD+ FADH- Heme-FeIII NO3- Heme-FeII FADH• NO• O2 3) FADH• Heme-FeIII NO3- Heme-FeII FAD, H+ NO• O2

  6. DONNEES CINETIQUES EXPERIMENTALES Laura Baciou Emna El Hammi Chantal Houée-Lévin 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. 6.8 ± 0.5 103 s-1 (~150 ms) (radiolyse pulsée/spectro UV-Vis) • 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 ? 1e- QUE PEUT APPORTER LA MODELISATION ? AVEC QUELS OUTILS ?

  7. PLAN I – CARACTERISATION THERMODYNAMIQUE II – CHEMINS DE TRANFERTS D'ELECTRONS

  8. I- ETUDE STRUCTURALE DES COFACTEURS • 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 ? • HEME: états de spin les plus stables ? • Hème-FeIII: d5 doublet; quartet, sextet ? • Hème-FeII: d6 singulet, triplet, quintet ? • FLAVINE: états de protonation ? DFT MECANIQUE MOLECULAIRE 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) Partition DFT: 85/47 atomes (Hème/flavine) Nombre total d'atomes: 63558 (dont 19 000 molécules d'eau)

  9. I-STRUCTURE OPTIMISEES Hème Quartet et triplet plus stables sur la géomtrie d'équilibre 0.0 34.0 8.3 34.3 0.0 eV kcal/mol

  10. I-PREMIER BILAN THERMODYNAMIQUE contributions internes hème et flavine IP: Potentiel d'ionisation EA: Affinité électronique DEi = 0.5( IP + EA) 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 ?

  11. I-CONTRIBUTIONS DE L'ENVIRONNEMENT non-homogène composite partiellement ordonné fluctuations dynamiques Eau contre-ions Protéine phospholipide

  12. I-DYNAMIQUES MOLECULAIRES CLASSIQUES cas de la réaction Hème-FeIII + FADH• Hème-FeII + FADH+ • Hème-FeIII , FADH• • Hème-FeII , FADH+ Dynamiques moléculaires classiques écart énergétique vertical écart énergétique vertical Echantillonage des conformations accessibles (état FeII , FADH+) Echantillonage des conformations accessibles (état FeIII , FADH•) J. Blumberger, Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 5651.

  13. RESULTATS A partir de 5 ns de simulation Hème-FeIII + FADH• Hème-FeII + FADH+ Hème-FeIII + FAD•-  Hème-FeII + FAD +2.57eV +1.40 eV (contribution interne) espèce formée dans l'expérience +3.97 eV +0.59 eV -3.26 eV (contribution interne) -2.66eV transfert Flavine  Hème implique la perte de proton ?

  14. AUTRES HYPOTHESES Echantillonage des conformations de la flavoHb 4 simulations de 50 ns 4.01 Variations de 0.1 eV (mouvements lents dans la protéine, en cours d'analyse…) 3.99 3.90 Autres formes conformationnelles 3.81 3.73 0 10 20 30 40 El Hammi et al. Biochem. 2011, 50, 1255

  15. II-CHEMINS DE TRANSFERT D’ELECTRONS atomes D. N. Beratan et Coll. 1991 liaison Hydrogène Rlh liaison covalente “vide” (absence de liaisons) Rvide D H B X f A Bonne conduction * Mauvaise conduction calibration sur des calculs de chimie quantique (DFT sous contrainte) de la Lande, Salahub J. Mol. Struct. THEOCHEM 2010, 943, 115 *

  16. II- RECHERCHE DU MEILLEUR CHEMIN DE TRANSFERT Algorithme de Dijkstra implémentation avec H. Rezac, Prague D A

  17. II- PRISE EN COMPTE DES FLUCTUATIONS THERMIQUES D A Couplage avec des méthodes d'échantillonage de geometries D A 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. PNAS2010, 107, 11799.

  18. II- UN TYPE DE CHEMIN DOMINE DANS LA FLAVOHB C7M Chemins type "His" ProA C8M Chemins type "ProA" CHA Chemins type "ProD" ProD 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.

  19. II-IMPORTANCE DES GROUPEMENTS POLAIRES A L'INTERFACE 2hb 2hb C8M Lys84 Lys84 ProA C8M C8M ProA ProA Lys84 Glu394 C7M Glu394 Lys84 C7M Lys84 C8M C8M 3hb 2hb ProA

  20. 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

  21. REMERCIEMENTS • LCP, Groupe ThéoSim • Isabelle Demachy • Bernard Lévy • Natacha Gillet (doctorante) • LCP, Groupe Biophysique • Laura Baciou • Chantal Houée-Lévin • Emna El Hammi Académie des Sciences Rep. tchèque Jan (Honza) Řezáč Université de Calgary, Canada Dennis Salahub CINVESTAV, Mexique Andreas Köster

  22. II-THEORIE DE MARCUS DES TRANSFERTS D'ELECTRONS Hypothèses d'applications Limite perturbative (couplage H12 faible ) Haute température (ambiante) couplage électronique Force motrice Energie de reorganisation

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