Transport d'ions potassium à travers une membrane cellulaire : étude des propriétés physicochimiques des canaux kcsa par dynamique moléculaire

Potassium ions transport through cellular membrane : study of physico-chemical properties of kcsa channels with molecular dynamics

• Auteur / Autrice : Mylène Compoint
• Direction : Claude Girardet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés libres

Transfert de charge

Perméation

Résumé

Ce travail de thèse concerne l'étude des propriétés physicochimiques des canaux KcsA par dynamique moléculaire. Le but est de mieux connaître les mécanismes responsables à l'échelle atomique du transport d'information dans les canaux transmembranaires à potassium. Dans la première partie, nous passons en revue les méthodes d'investigation des protéines membranaires et rappelons les travaux qui ont été effectués sur le canal ionique KcsA à une résolution très élevée. Les applications utilisant la dynamique moléculaire ont abouti aux résultats principaux suivants présentés dans la seconde partie : 1) une forme stable de la structure fermée avec une séquence d'occupation KWKWKK, 2) des mouvements fortement corrélés entre les ions et les molécules d'eau ainsi qu'entre les différents couples K/W du filtre sélectif, 3) la construction d'une structure ouverte réaliste du KcsA dont la zone responsable de l'ouverture correspond aux hélices internes M2, 4) l'ouverture du canal s'effectue par un mouvement de fermeture éclair des résidus terminaux du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire, 5) la présence d'un transfert de charge de l'ion K+ situé dans le site S2 sur les atomes environnants de la protéine mise en évidence par l'utilisation d'une méthode quantique de calcul des charges de l'ion K+ au cours de sa progression dans le pore. La troisième partie présente les perspectives offertes par ce travail et ouvre atuellement la voie à l'étude de la polarisation des molécules d'eau de la cavité et du filtre dans les deux conformations fermée/ouverte de la protéine ainsi qu'à l'étude de la sélectivité K+/Na+ du canal KcsA par les mêmes méthodes quantiques.

This thesis is devoted to the study of the physicochemical properties of KcsA channels using classical molecular dynamics simulations. The goal is to reach a better knowledge at the atomic scale of the mechanisms which are responsible forthe ion transport in these transmembrane potassium channels. In the first part,available experimental and theoretical data on the protein properties are presented, while new results obtained during this thesis are discussed in the second part. The main results obtained in part II from restrained MD simulations are as follows : 1) a stable closed conformation for the protein is found with the sequence KWKWKK, 2) strong correlated motions between K+ ions and neighbouring water molecules, and between different K/W couples are determined along the selectivity filter, 3) a realistic open structure is obtained which is consistent with the most recent experimental data. The internal M2 helices rae responsible for the gating mechanism, 4) the gating proceeds according to a zipper mechanism implying first the terminal residues at the innermost part of the M2 helices and then propagating towards the bottom of the cavity, 5) a substantial charge transfer between the K+ ions and the surrounding atoms of the channel is determined using a quantum description for the charges. The third part deals with the presentation of various prospects offered by this work, notably the study of water polarization inside the filter and the cavity in the two protein states, and of the K+/Na+ selectivity of the KcsA by the same quantum methods.