Theoretical study of the hydration shell of biomolecules : dynamics and impact on biological function

• Auteur / Autrice : Aoife Fogarty
• Direction : Damien Laage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique théorique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solutions (chimie)

Biomolécules

Hydratation

Résumé

Il est désormais admis que la couche d'hydratation d'une biomolécule joue un rôle important dans des processus biochimiques. De plus, la biomolécule perturbe les propriétés dynamiques des molécules d'eau dans sa couche d'hydratation. Cette thèse se divise en deux parties qui traitent chacune de différents aspects de ces deux phénomènes. Une première partie détaille la dynamique de l'eau dans la couche d'hydratation des biomolécules. Ceci se fait dans trois cas différents. Le premier utilise une série de protéines pour explorer les origines moléculaires de la perturbation dynamique. Le deuxième se concentre sur l'effet de la dynamique conformationelle d'une biomolécule sur la dynamique de la couche d'hydratation. Le troisième étudie la dépendance en température de la dynamique de la couche d'hydratation d'un soluté hydrophobe. Une deuxième partie concerne la catalyse enzymatique en milieu organique, et étudie l'influence de l'environnement sur la réaction enzymatique. Expérimentalement, une baisse d'activité catalytique d'une enzyme en milieu organique est constatée quand son taux d'hydratation est réduit. Nous utilisons un système paradigme pour explorer les origines moléculaires de ce phénomène. Nous démontrons certaines failles dans l'approche standard pour l'étude d'un tel système, dues à la complexité des échelles de temps de réorganisation dans le système. Nous adoptons une approche alternative, qui utilise une coordonnée de réaction collective et des calculs d'énergie libre pour assurer un échantillonnage qui prend en compte l'influence de fluctuations conformationelles sur la barrière de la réaction.

It is now generally accepted that the hydration shell of a biomolecule plays an important role in biochemical processes. Moreover, the biomolecule perturbs the dynamical properties of its hydration shell. This thesis is divided into two parts, each of which treat different aspects of these two phenomena. A first part concerns water dynamics in the hydration shell of biomolecules, and details its perturbation by the biomolecule. This is done via three different case studies. The first uses a series of proteins to explore the molecular origins of the dynamical perturbation. The second concentrates on the effect of the dynamical nature of a biomolecule on hydration shell dynamics. The third studies the temperature dependence of the hydration shell dynamics of a small hydrophobic solute. A second part concerns enzymatic catalysis in organic solvent, and studies the influence of the environment on the enzymatic reaction. Experimentally, a reduction in catalytic activity is observed for an enzyme in organic solvent when the hydration level is decreased. Here, we use a paradigm system in order to explore the molecular origins of this phenomenon. We begin by demonstrating certain pitfalls in the standard approach for the study of such a system, due to the complexity of the timescales for reorganisation of different system components. We then adopt an alternative approach which uses a collective reaction coordinate and free energy calculations in order to ensure a sampling which takes into account the influence of system conformational fluctuations on the reaction barrier height.