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