Simulations Numériques de Transferts Interdépendants d’Electrons et de Protons dans les Protéines

Numerical simulations of intertwined protons and electrons transfers in proteins

• Auteur / Autrice : Natacha Gillet
• Direction : Isabelle Demachy, Vicent Moliner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 21/07/2014
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Universitat Jaume I (Castellón de la Plana, Espagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Ally Aukauloo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Demachy, Vicent Moliner, Ally Aukauloo, Elise Dumont, Rodolphe Vuilleumier, Sergio Marti, Iñaki Tuñón
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elise Dumont, Rodolphe Vuilleumier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Dynamique moléculaire

Oxydoréduction

Enzymes

Mots clés libres

Mécanisme enzymatique

Transferts électron/proton

Théorie de Marcus

QM/MM

Dynamique moléculaire

Enzymatic mechanism

Electron/proton transfers

Marcus theory

QM/MM

Molecular dynamics

Résumé

Les processus d’oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d’électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d’hydrogène, d’hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l’étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l’étude des changements d’états électroniques et la description classique de l’environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d’électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l’évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d’oxydation du L-lactate dans l’enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d’un transfert formel d’hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s’effectuent classiquement. Nous appliquons l’approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d’état de protonation ou d’oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l’eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l’ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l’environnement. L’étude de l’oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l’aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l’aide de calculs d’énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d’un proton et d’un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d’autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d’hydrure en transfert d’électron et d’atome d’hydrogène s’appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d’énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d’électron à différents stades du transfert d’hydrogène. En appliquant l’ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d’hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d’établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d’électron en l’absence du transfert d’hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites.

Redox processes involving organic molecules are ubiquitous in proteins. They generally imply global reactions such as Proton Coupled Electron Transfers, hydrogen atom or hydride transfers which can be decomposed into both electrons and proton transfers. Kinetic and thermodynamic information leads to a better understanding of these mechanisms. However, experiments are often limited to a milli- or microsecond timescales. We present here numerical simulations allowing modeling at shorter timescales (femto, pico or nanosecond) to complete experimental data. Many numerical methods combine quantum description (QM) of the active center and classical description (MM) of the environment to describe redox transformations into biological media. Molecular dynamics (MD) simulations allowed a conformational sampling of the global system. Nevertheless, depending on their level of description of the QM part, the methods can cost more or less CPU time to get a good conformational sampling. In this thesis, we have studied different redox mechanisms involving both proton and electron transfers with a particular care paid to the balance between quality of the electronic description and of conformational sampling. For each mechanism, the coupled proton and electron transfers are investigated differently. This manuscript thus falls into three parts: i) the evaluation of the redox potentials quinone derivatives ; ii) the mechanistic description of the L-lactate oxidation into pyruvate in the flavocytochrome b2 enzyme; iii) decomposition of the formal hydride transfer occurring between two flavins in EmoB protein. A QM+MM scheme is chosen to evaluate redox potential of quinone cofactors: the electronic behavior is described at DFT level in gas phase while classical MDs provide a large conformational sampling of the molecule and its environment. Deprotonation and oxidation free energies are estimated by applying the linear response approximation (LRA). We finally get a theoretical value of the redox potential for different quinocofactors in water and a calibration curve of these theoretical results in function of experimental data. This curve allowed predictions of quinone redox potentials in water with a good accuracy (less than 0.1 eV). We also try our method on the MADH protein containing a Tryptophan Tryptophilquinone cofactor. However, because of great fluctuations of the environment, the LRA is not suitable for this system. This underlines the limits of our methodology. The oxidation of L-lactate to pyruvate is described by free energy surfaces obtained at AM1/MM level. Biased MDs provide the AM1/MM profile which is then corrected at DFT level. Several reactions pathways have been noticed. They consist in sequential or concerted transfers of a proton from L-lactate to a histidine and a hydride from L-lactate to a flavin cofactor. The coupling between the two transfers depends on the conformation of the active site or on the mutations. The obtained surfaces fit qualitatively the experimental data but the theoretical activation barriers are too high. Other simulations must be explored: different methods, other mechanism... Finally, a combination of long classical MDs and constrained DFT (cDFT)/MM are employed to decompose a hydride transfer between two flavins into one hydrogen atom and one electron transfer. cDFT methodology allow us to describe diabatic states associated to the electron transfer during the hydrogen atom transfer. Applying the LRA, we can build parabola of the diabatic and determine the sequence of the two transfers. The comparison of our results in the EmoB protein or in aqueous medium shows that the protein allows the electron transfer only if the hydrogen atom transfer is happening. By this way, no semi-reduced flavin is created.