ABEL STÉPHANE

Micelles Inverses d’AOT : Structure, compressibilité et influence de l’hydratation

sur un octapeptide alanine confiné

IntroductionRappels sur les tensioactifs et les micelles inverses d’AOT

• Le modèle sphérique.• Limites du modèle sphérique.

Précédents modèles de micelle inverse• Approches implicites et explicites: avantages et inconvénients.

I. Structure des micelles inverses d’AOT en fonction du rapport Wo=[eau]/[tensioactif]

Forme et dimension. Structure interne. Hydratation des molécules d’AOT.

II. Structure des micelles inverses d’AOT avec un peptide alanine confiné Forme et dimension

III. Compressibilités des micelles inverses en fonction de Wo

IV. Stabilité d’un octapeptide alanine confiné en fonction de l’hydratation

Conclusions et perspectives

Plan de la présentation

2

INTRODUCTION : LES TENSIOACTIFS ET LES MICELLES INVERSES d’AOT

3

Un tensioactif

INTRO

DU

CTION

: LES TENSIO

ACTIFS DANS L’H

UILE

Queue hydrophobe (lc) Tête polaire (h)

4

Les tensioactifs dans l’huile

Les micelles inverses

La molécule d ’AOT INTRO

DU

CTION

: L’AOT DAN

S UN

MÉLAN

GE D

’EAU ET D

’HU

ILE

L’AOT est conique qui favorise la formation des micelles inverses

Ah

lc

Co=Vs/Ahlc > 3

Vs

Les micelles inverses d’AOT

Wo = [H2O]/[AOT]

5Rw

dH

lc

Rayon expérimental Rw de la micelle inverse en fonction de Wo

INTRO

DU

CTION

: LE MO

DÈLE SPH

ÉRIQU

E POU

R DÉCRIRE LES M

ICELLES 6

7

Hypothèse d’une micelle inverse sphérique

Pour des valeurs de Wo< 15, les micelles inverses sont elles sphériques ?

INTRO

DU

CTION

: LE MO

DÈLE SPH

ÉRIQU

E POU

R DÉCRIRE LES M

ICELLES

calc H2O o AOTw o h h

o o

3V (W ) 3VR (W )= +

A (W ) A (W )

?

8

Objectifs de l’étude IN

TROD

UCTIO

N: O

BJECTIFS DE L’ÉTU

DE

Caractériser la structure des micelles inverses avec un rapport Wo < 15 dans une phase L2 expérimentale.

Quatre tailles de micelles inverses simulées avec Wo=2, 3, 5 et 7.

Examiner en fonction du rapport Wo, les variations:

De forme des micelles et de leur cœur d’eau

De dimension de la région polaire

De leur structure interne

L’hydratation des molécules d’AOT

Dans le but de proposer un modèle pour les micelles inverses d’AOT peu hydratées dans l’isooctane.

INTRO

DU

CTION

: PRÉCÉDEN

TS MO

DÈLES D

E MICELLES IN

VERSES

Traitement simplifié des interactions avec l’environnement polaire (i.e. l’intérieure de la micelle) et avec la phase huileuse simulée implicitement.

Approche implicite

9

En deux diaposPrécédents modèles de micelles inverses d’AOT (I)

Modèle de micelle inverse d’AOT (Wo=7.5)

(Faeder et Ladanyi, 2003)

Permet de simuler des micelles inverses de grandes tailles, mais se révèle trop simple pour représenter un environnement micellaire réel.

INTRO

DU

CTION

: PRÉCÉDEN

TS MO

DÈLES D

E MICELLES IN

VERSES

Traitement plus ou moins explicite des interactions pour les différents composants du système micellaire (i.e. détergents, eau, solvant)

RM « coarse-grains » AOT Wo=2-5 dans 990 mol. d’hexane (t=2 ns)(Brodskya et Mudzhikova, 2006)

Approche explicite

10

En deux diaposPrécédents modèles de micelles inverses d’AOT (II)

RM AOT (Wo=10) dans 275 mol. de toluène (t=250 ps) (Alaimo et Kumosinski, 1997)

AOT

H2Otoluène

I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D'AOT EN FONCTION DE WO

11

Les simulations de dynamique moléculaire

Paramètres des simulations moléculaires (MD):

Champs de force pour l’AOT, l’isooctane dérivés de CHARMM(Bandyopadhyay, S. Indian Institute of Technology, Kharagpur)Modèle d’eau : TIP3T=300 K et P=0.1 MPat =12 fs (r-RESPA)

Les micelles inverses sont simulées dans une concentration en isooctane similaire à une phase L2 expérimentale (soit > 80 % du volume total de la boite de simulation). Micelles inverses avec Wo=3 construites avec deux protocoles différents:

préformée (p). selon un processus de « micellisation » dans le vide (m).

Conditions périodiques de bords Electrostatique: Ewald/PME Code de MD ORAC

12

I. STRUCTU

RES DES M

ICELLES INVERSES D

’AOT EN

FON

CTION

DE W

O

Un exemple de changement de structure des micelles inverses

13

I. STRUCTU

RES DES M

ICELLES INVERSES D

’AOT EN

FON

CTION

DE W

O

Configuration finale (t=3 ns) de la micelle inverse avec un rapport Wo=5.

Rotation selon l’axe Y et la micelle coupée selon un plan vertical.

14

Forme des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo (I) I. STRU

CTURES D

ES MICELLES IN

VERSES D’AO

T EN FO

NCTIO

N D

E WO

La forme des micelles et des cœurs d’eau est donnée par l’excentricité e:

a >b > ca

b

c

Wo=3p

15

Forme des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo (II) I. STRU

CTURES D

ES MICELLES IN

VERSES D’AO

T EN FO

NCTIO

N D

E WO

16

RgSAXS : Rayon de giration calculé à partir des spectres simulés de SAXS

(Guinier)

Dimension de la zone aqueuse des micelles en fonction de Wo

I. STRUCTU

RES DES M

ICELLES INVERSES D

’AOT EN

FON

CTION

DE W

O

La dimension de la zone aqueuse est calculée avec le rayon de giration. Pour un ellipsoïde:

Dimension des cœurs d’eau des micelles en fonction de Wo

17

I. STRUCTU

RES DES M

ICELLES INVERSES D

’AOT EN

FON

CTION

DE W

O

Structures internes des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo

18

Profils de densité a(r) par rapport au centre de masse (r=0 Å) des micelles

I. STRUCTU

RES DES M

ICELLES INVERSES D

’AOT EN

FON

CTION

DE W

O

Wo=5

Hydratation des molécules d'AOT en fonction de Wo

19

Calculées à partir des fonctions radiales de paires (r)

I. STRUCTU

RES DES M

ICELLES INVERSES D

’AOT EN

FON

CTION

DE W

O

p

m

p: préformée

m: micellisation

20

Conclusion partielle I. STRU

CTURES D

ES MICELLES IN

VERSES D’AO

T EN FO

NCTIO

N D

E WO

Micelles inverses ont des formes anisotropes avec des excentricités e 0.6 et 0.8 pour les micelles entières et les cœurs d’eau qui changent peu avec Wo. Ces résultats semblent corroborer certains résultats expérimentaux (Arleth et Pedersen, 2001) obtenus par SANS avec variation de contraste.

Les dimensions de la zone aqueuse varient entre 11 Å et 16 Å et sont proches des valeurs de SAXS expérimentales (Yano et al, 2000).

Les rayons des cœurs d’eau Rw varient linéairement avec Wo, la pente (1.4) est similaire à celle de la littérature expérimentale (1.5).

La structure interne des micelles présente un environnement assez hétérogène où la pénétration de molécules d’AOT est possible.

Avec l’augmentation de Wo, on constate l’hydratation plus efficace des groupes sulfonate et des contre-ions par rapport aux autres sites de la molécule d’AOT.

II. MICELLES INVERSES D’AOT AVEC UN PEPTIDE CONFINÉ

21

22

II. MICELLES IN

VERSES D’AO

T ET PEPTIDES CO

NFIN

ÉS

22

Cas (a) Cas (b)

90°

Les simulations de dynamique moléculaire Deux tailles de micelles inverses simulées avec un rapport Wo4.8 et Wo 6.8 avec un peptide alanine en hélice- canonique zwittérionique:

dN-C12.5 Å

c24 Å

a32 Å

Pour Wo4.8

Avec deux orientations du peptide dans le cœur d’eau

Forme des micelles inverses avec le peptide confiné (I)

23

II. MICELLES IN

VERSES D’AO

T ET PEPTIDES CO

NFIN

ÉS

Wo=4.8a

Wo=4.8b

ee

Pour la micelle avec Wo=4.8

Forme des micelles inverses avec le peptide confiné (II)

24

Variation de la forme des micelles inverses avec le peptide confiné

II. MICELLES IN

VERSES D’AO

T ET PEPTIDES CO

NFIN

ÉS

3m

3p

3m

3p

4.8a

4.8b

6.8b

6.8b

4.8b

4.8a

6.8a

6.8a

b

a

p: préformée

m: micellisation

Dimension de la zone aqueuse avec le peptide confiné

25

II. MICELLES IN

VERSES D’AO

T ET PEPTIDES CO

NFIN

ÉS

26

II. MICELLES IN

VERSES D’AO

T ET PEPTIDES CO

NFIN

ÉSConclusion partielle

Les deux orientations données aux peptides affectent significativement la forme des micelles « pleines » plus anisotropes que les micelles « vides ».

Leur cœur d’eau est plus ellipsoïdal que la micelle entière

Le rayon de giration de la zone aqueuse des micelles contenant le peptide augmente de façon sensible par rapport aux micelles vides, en raison du changement de structure du cœur d’eau.

27

III. COMPRESSIBILITÉS DES MICELLES INVERSES EN FONCTION DE WO

28

III. COM

PRESSIBILITÉS DES M

ICELLES INVERSES EN FO

NCTIO

N D

E WO

La compressibilité β

La compressibilité adiabatique s d’une micelle inverse est donnée par l’équation de Laplace:

s 2S

1 V 1β =- =

V P ρc

i T 2T S p

T b T

V V1 V 1β =- = = β +Tα /ρC

V P k T V

Où c est la vitesse de l’onde ultrasonore et , la densité de la solution

Les volumes des solutions ne convergeant pas, nous avons déterminé la compressibilité isotherme T des micelles inverses simulées avec le rapport Wo:

iV

Mesurée expérimentalement

Où Coefficient d’expansion thermique, Cp la capacité calorifique à T cte. VT, , kb et T : Volume de total de la boîte de simulation, volume du composé i, la constante de Boltzmann et T la température absolue, respectivement.

29

La compressibilité de la micelle inverse en fonction de Wo

La compressibilité d’une micelle βmic= βAOTAOT + βNa+Na+ + βH2OH2O (+ βpeppep)

III. COM

PRESSIBILITÉS DES M

ICELLES INVERSES EN FO

NCTIO

N D

E WO

IV. STABILITE D’UN PEPTIDE ALANINE CONFINÉ DANS LES MICELLES

30

Stabilité des hélices- des octapeptides

31

Une hélice- canonique a 4 (IHB) de type CO(i)→NH(i+4):

(1) CO(1) → NH(5)(2) CO(2) → NH(6) (3) CO(3) → NH(7) (4) CO(4) → NH(8)

Config. finale du peptide dans l’eau pure

IV. STABILITE D’U

N PEPTID

E ALANIN

E CON

FINÉ D

ANS LES M

ICELLES

Deux propriétés structurales pour étudier la stabilité de l’hélice: La déviation quadratique moyenne des carbones- (rmsdC)par rapport à l’hélice- initiale. La stabilité des liaisons hydrogènes intrapeptidiques (IHB)

32

Stabilité du peptide dans la micelle (I) Dans la micelle inverse RM64+A8 (Wo4.8)

(1) CO(1) → NH(5)(2) CO(2) → NH(6) (3) CO(3) → NH(7) (4) CO(4) → NH(8)

IV. STABILITE D’U

N PEPTID

E ALANIN

E CON

FINÉ D

ANS LES M

ICELLES

(a)

(b)

Stabilité du peptide dans la micelle (II) Dans la micelle inverse RM82+A8 (Wo6.8)

IV. STABILITE D’U

N PEPTID

E ALANIN

E CON

FINÉ D

ANS LES M

ICELLES

(1) CO(1) → NH(5)(2) CO(2) → NH(6) (3) CO(3) → NH(7) (4) CO(4) → NH(8)

33

(b)

(a)

AOTh

Temps [ns]

Influence des têtes d'AOT sur la stabilité de l'octapeptide

34 34

Avec deux systèmes « hybrides » basés sur la micelle avec Wo4.8

Gouttelette d’eau

AOT

Temps [ns]0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 30

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 30# C

O(i

)→N

H(i+4)

# C

O(i

)→N

H(i+4)

IV. STABILITE D’U

N PEPTID

E ALANIN

E CON

FINÉ D

ANS LES M

ICELLES

AOT sans tête SO3-

T=2.5ns

T=240 fsT=3.0 ns

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

35

Conclusions (I)

36

CON

CLUSIO

NS ET PERSPECTIVES

Propriétés structurales des micelles inverses d’AOT avec Wo

Les micelles simulées sont anisotropes avec des excentricités plus élevées pour les cœurs d’eau (0.8) que pour les micelles ( 0.6).

Avec Wo, l’hydratation des groupes sulfonates de l’AOT et des ions Na+ augmentent et ce sont les principaux sites hydratés de la micelle inverse.

Les compressibilités isothermes des micelles inverses mic varient linéairement avec Wo de façon similaire à la compressibilité (adiabatique) mesurée expérimentalement.

Conclusions (II)

37

CON

CLUSIO

NS ET PERSPECTIVES

Structures des micelles inverses d’AOT avec un peptide alanine confiné:

L’insertion du peptide modifie de façon significative la forme et change peu la dimension des cœurs d’eau micellaires par rapport aux micelles inverses « vides » de taille similaire.

La compétition d’hydratation entre les têtes polaires et de sites polaires du peptide joue un rôle prépondérant dans la stabilité du peptide confiné.

Avec l’introduction du peptide, la compressibilité isotherme des micelles ne change pas significativement.

Perspectives

38

CON

CLUSIO

NS ET PERSPECTIVES

Sur la structure des micelles inverses: Etudier l’influence des conditions initiales sur la structure des

micelles et d’autres paramètres de simulation (le champ de force, le modèle d’eau, la concentration ou le type de solvant etc.)

Simuler les spectres de diffusion (SAXS, SANS) et comparer avec les données expérimentales.

Simuler des micelles inverses de grande taille (avec R=40 Å) et comparer avec les experiences de cryofracture.

Calculer la compressibilité adiabatique des micelles inverses

Sur les peptides et protéines confinés dans les micelles inverses: Etudier l’effet de l’insertion de polypeptides ou de (petites) protéines

en fonction de leur charge de surface sur la structure des micelles en fonction du rapport Wo.

Evaluer les changements de structure des polypeptides ou protéines confinés avec le type de détergent ionique (AOT) ou non ionique (C12E4) par rapport leurs structures dans l’eau.

Remerciements

39

Chanda S. et Bandyopadhyay S. pour m’avoir permis d’utiliser leur champ de force de l’AOT en primeur

Gino Marchetti pour son aide pour le calcul des rayons a partir des spectres de SAXS simulés.

Fabio Sterpone pour son aide durant les premiers mois de la thèse.

Alain Coron pour des programmes en PERL très utiles.

Last but not least, mes deux gurus (Massimo et Wladimir) qui m’ont supporté durant tout ce temps.

39

Merci pour votre attention !!!