On the role of protons in the reactivation of acetylcholinesterase : quantum and molecular mechanics studies

par Thomas Driant

Thèse de doctorat en Chimie Moléculaire

Sous la direction de Etienne Derat.

Soutenue le 22-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Institut Parisien de Chimie Moléculaire / IPCM (laboratoire) .

Le président du jury était Matthieu Sollogoub.

Le jury était composé de Philippe Karoyan, Shina Caroline Lynn Kamerlin, Florian Nachon.

Les rapporteurs étaient Isabelle Navizet, Sam De Visser.

  • Titre traduit

    Du rôle des protons dans la réactivation de l'acétylcholinestérase : études en mécanique quantique et mécanique moléculaire


  • Résumé

    Le projet de cette thèse était l'évaluation du processus de réactivation et l'étude du site actif de l'AChE inhibée par un agent neurotoxique par des méthode computationnelles. L'objectif était de guider le design rationnel de nouveau réactivateurs. Une étude initiale avec un modèle QM tronqué a indiqué la nécessité de modéliser l'environnement enzymatique pour compenser la charge du Glu334. Elle a aussi confirmé le rôle du trou oxyanionique dans la stabilisation des états de transition de la réactivation. Des simulations QM/MM de la réactivation par le réactivateur classique 2-PAM, ainsi que par deux réactivateurs au coeur aromatique non chargé ont été effectuées. Il a été démontré que le Glu202, un résidu à proximité de la triade catalytique de l'AChE, doit être protoné pour que la réactivation ait lieu. Ces simulations ont aussi montré que le réactivateur peut être déprotoné dans le site actif de l'AChE par His447. Les réactivateurs au coeur aromatique non chargé sont plus nucléophiles que la 2-PAM et l'un d'entre eux est plus aisément déprotoné dans le site actif. Nos résultats indiquent que la capacité d'un réactivateur à être facilement déprotoné est plus importante que sa nucléophilie. Enfin, un mécanisme de migration de protons a été identifié par des calculs QM/MM et EVB. Il implique deux glutamates derrière le site actif, Glu450 et Glu452. La possibilité que ces deux protons soient temporairement protonés et donc impliqués dans une migration de protons a été confirmé par des calculs CpHMD. La migration de proton passe par la N-protonation d'une liaison amide, ce qui constitue un nouveau mécanisme.


  • Résumé

    The project of this PhD was to investigate the reactivation process and the active site of nerve agent inhibited AChE by computational methodologies to gain insight about the rational design of new reactivators. An initial truncated QM model study provided some insight in the necessary compensation of Glu334 by the enzyme. It also confirmed the role of the oxyanionic hole in the stabilization of the transition state of the reactivation. QM/MM simulations of the reactivation with classical reactivator 2-PAM, as well as two non-pyridinium reactivators, were performed. It was shown that Glu202, a residue near the catalytic triad of AChE, needs to be protonated for the reactivation to occur. Those simulations also showed that the reactivator can be deprotonated in the active site of AChE by His447. Non-pyridinium reactivator were found to have a greater nucleophilicity than 2-PAM and, for one of them, to be easily deprotonated in the active site. Our results indicate that the capacity of a reactivator to be deprotonated in the active site of the enzyme is more important than its nucleophilicity. Finally, a proton relay mechanism was identified through QM/MM and EVB simulations. It involves two glutamate residues, Glu450 and Glu452, positioned behind the active site. The potential for these two residues to be transiently protonated and thus involved in a proton relay was confirmed by CpHMD simulations. This proton relay mechanism relies on the N-protonation of an amide which is a novel mechanism.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Sorbonne Université. Bibliothèque de Sorbonne Université. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.