Techniques de bioinformatique structurale: modélisation ...
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Techniques de bioinformatique structurale:modelisation informatique de la reactivite
biochimique
Gerald Monard
Equipe de Chimie et Biochimie TheoriquesEntree 2A - Niveau 7
UMR 7565 CNRS - Universite Henri PoincareFaculte des Sciences - B.P. 239
F54506 Vandœuvre-les-Nancy Cedex - FRANCE
http://www.monard.info/Enseignement
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Introduction
Spectroscopic Characterization of Intermediates in the UrateOxidase Reaction
Kalju Kahn and Peter A. TiptonBiochemistry 1998, 37, 11651-11659
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Introduction
La modelisation moleculaire
â Les experimentations sont indispensables a la comprehensiondu vivant
â MAIS les donnees experimentales ne sont pas toujoursfacilement interpretables
â Idealement, il faudrait pouvoir observer directement lesespeces (bio)chimiques au niveau moleculaire
â Ce n’est pas possible mais il est possible de modelisernumeriquement ce qui se passe a ce niveau grace aux lois dela physique
+ On parle de Modelisation Moleculaire ou encore de(Bio)Chimie Informatique
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Les fondements de la modelisation moleculaire
Une vision du vivant . . .
â Vivant Ù atomes, molecules, assemblages interagissant entreeux
â Systemes thermodynamiques hors equilibres
â Reactions chimiques Ù modifications electroniqueså besoin d’une description des electronså mecanique quantique / mecanique moleculaire
. . . pour un chimiste theoricien:
â Vivant Ù des noyaux et des electrons en interaction
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Modelisation Moleculaire
Mecanique Quantique
â Regit par l’equation de Schrodinger
â Les electrons sont decrits par une fonction d’ondes
â Dans le cas general, cette equation n’admet pas de solutionanalytique (= on ne peut pas la resoudre de maniere exacte).
â On effectue donc une resolution approchee de cette equation.
+ limite a la modelisation de quelques dizaines d’atomes
Mecanique Moleculaire
â Approximation: atomes = charges ponctuels
â Ils interagissent par l’intermediaire de potentiels pre-parametres: lechamp de forcesex.: une liaison = un ressort (vibration IR)
+ limitee a la modelisation de quelques dizaines de milliers d’atomes
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Les methodes numeriques de la chimie quantique
Trois grandes methodes numeriques
â Methodes ab initio (Hartree-Fock, Moller-Plesset, . . . )
â Methodes semi-empiriques (AM1, PM3, . . . )
â Methodes DFT (Density Functional Theory: LDA, B3LYP, . . . )
Resume
â Il n’existe pas une seule mais des methodes de resolutionsapprochees de l’eq. de Schrodinger
â Chacune a des avantages et des inconvenients
â Elles sont toutes tres couteuses en temps de calculsÙ necessite d’ordinateurs puissants
â Plus elles sont couteuses, meilleures elles sont
â En general on ne fait pas un mais plusieurs calculs avec desmethodes differentes afin de comparer les resultats et valider lesapproximations numeriques
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Les methodes numeriques de la chimie quantique
Proprietes accessibles
â Energie; fonctions d’onde (orbitales moleculaires); momentdipolaire; charges atomiques
â Frequences de vibrations; spectroscopie IR, Raman
â Transitions electroniques; spectres UV-Vis; Dichroısmecirculaire
â Interactions avec un champ magnetique; spectres RMN
â Reactivite (Etats de transition, barriere cinetiques)
â Thermochimie (U, H, G , F , S)
â Potentiel d’ionisation; Affinite electronique
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Champs de forces
Definition
â Un champ de forces est la reunion d’une equation regissantl’energie d’un systeme moleculaire et de ses parametresassocies.
â Il est base sur une description physique classique des moleculeset la transferabilite des proprietes chimiques locales:
3 une molecule est composee d’atomes;3 chaque atome est represente par une masse ponctuelle chargee;3 les atomes interagissent entre eux par l’intermediaire de
potentiels predefinis (i.e. le champ de forces);3 de maniere generale, la connectivite du systeme moleculaire
reste constante (pas de reactivite possible).
â Habituellement, on distingue dans l’equation de l’energie lestermes lies (liaisons, angle, diedres, etc) des termes non-lies(electrostatiques, van der Waals, etc).
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Champs de forces
Les interactions prises en compte
����
�� ��� ��
�
� �
�� � �� ���
������
��
��
(electrostatic)Non−bonded interactions
δ+
δ−
δ+
bond stretching
angle bending Bond rotation (torsion)
Non−bonded interactions(van der Waals)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Champs de forces
Un exemple de champ de forces
AMBER: champ de forces specialise dans l’etude des proteines etdes acides nucleiques (UCSF, 1994).
E = ∑b
1
2kb(r − rb)2 +∑
a
1
2ka(θ −θa)2
+∑d
∑n
Vn
2(1 + cos(nω− γ))
+∑i
∑j>i
{1
4πε0εr
qiqj
rij+ 4εij
[(σij
rij
)12
−2
(σij
rij
)6]}
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Champs de forces
Conditions aux limites periodiques
Elles permettent la simulation de systemes infinies (liquides, solides).
��������������������������������
��������
���� ������������ � � ������ ����������������
��������������������
��������������������������������������������
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EF GH
IJ KL
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ST UV
WX
YZ
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
La mecanique moleculaire
Utilisations
â Dynamique moleculaire: evolution du systeme au cours dutemps en resolvant les equations du mouvement (mi
−→a i = Fi )
â Hypothese ergodique: en un temps infini de simulation, lesysteme aura explore toutes les conformations accessiblespossibles
Proprietes accessibles
â Proprietes structurelles: conformations, reconnaissance
â Proprietes dynamiques: diffusion, transport, reconnaissance,repliement
â Proprietes statiques et thermodynamiques: ∆G , changementd’etat
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Applications de la modelisation moleculaire a la dynamiquemoleculaire
Trois exemples d’applications
1 Repliement d’une proteine
2 Transport membranaire
3 Modelisation d’un virus
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Repliement d’une proteine
http://www.ks.uiuc.edu/Research/folding
â ”Villin Headpiece” (villin-final.mpg, 5.5µs)
â ”Pin1 WW Domain” (ww-all.mpg, 10µs)
Ten-microsecond MD simulation of a fast-folding WW domainPeter L. Freddolino, Feng Liu, Martin Gruebele, and Klaus
SchultenBiophysical Journal 2008, 94, 75-77
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Transport membranaire
http://www.ks.uiuc.edu/Research/hemolysin(translocationDNA.mpg)
Imaging α-hemolysin with molecular dynamics: Ionic conductance,osmotic permeability and the electrostatic potential map
Aleksij Aksimentiev and Klaus SchultenBiophysical Journal 2005, 88, 3745-3761
Orientation discrimination of single stranded DNA inside theα-hemolysin membrane channel
Jerome Mathe, Aleksei Aksimentiev, David R. Nelson, KlausSchulten, and Amit Meller
Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 2005, 102,
12377-12382
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Modelisation d’un virus
http://www.ks.uiuc.edu/Research/STMV
Satellite Tobacco Mosaic Virus (STMV)
â stmv all.mpg
â collapse all.mpg
Molecular dynamics simulations of the complete satellite tobaccomosaic virusPeter L. Freddolino, Anton S. Arkhipov, Steven B. Larson,Alexander McPherson, and Klaus SchultenStructure 2006, 14, 437-449
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Applications de la modelisation moleculaire a la reactiviteenzymatique
Deux exemples d’applications
1 L’activation des Methionines Sulfoxydes Reductases
2 Oxydation de l’acide urique catalysee par l’Urate Oxydase
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Methionine Sulfoxide Reductase (Msrs)
HN
O
S
HN
O
S
HN
O
S
O
O
MsrA
MsrB
Met-(S)-SO
Met-(R)-SO
â Catalyse la reduction des sulfoxydes de methionine (MetSO)libre ou peptidique en methionine (Met)(numero E.C.: 1.8.4.11 a 1.8.4.14)
â Joue un role majeur dans la protection des organismesvis-a-vis du stress oxydant
â MetSO: soufre chiral
Ù Deux enantiomeres MetSO
Ù Deux grandes classes de Msrs:
3 MsrA (S-MetSO)3 MsrB (R-MetSO)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
MsrA et MsrB: points communsDeux classes structurellement differentes mais qui partagent:
â un mecanisme de reaction commun faisant intervenir unintermediaire acide sulfenique
â la presence de deux cysteines conservees:une cysteine “catalytique” et une cysteine de “recyclage”
â un mecanisme catalytique en trois etapes:
CysC
CysR
SH
SH
CysC
CysR
S
SH
OH
CysC
CysR
S
S
RS
O
CH3 RS
CH3
H2O
Trxréd
Trxox
I
IIIII
Boschi-Muller et al. Arch. Biochem. Biophys. 474 (2008) 266-273.
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
MsrA: l’etape reductase
â L’etape reductase:
CysC
CysR
SH
SH
CysC
CysR
S
SH
OHR
S
O
CH3 RS
CH3
I: Reductase Step
â Concernant MsrA:
3 De nombreuses donnees experimentales:Structures cristallographiques, mutageneses dirigees, donneescinetiques, ...
3 Mais pas d’information directe sur le mecanisme chimique deformation de l’acide sulfenique
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
MsrA: l’etape reductase
â Mecanisme plausible: participation d’une espece de typesulfurane
CysC
CysR
SH
SH
CysC
CysR
S
SH
OHRS
O
CH3R
SCH3CysC
CysR
S
SH
S
R
CH3
OH
Ia Ib
â Des questions persistent:
3 activation de CysC ? (pKa experimental de CysC = 9.5)abstraction du proton Ù besoin d’un residu base generale
3 Origine de l’oxygene de l’acide sulfenique ?MetSO ou molecule d’eau ?
3 Nature de l’espece sulfurane (si elle existe):intermediaire ou etat de transition ?
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Modelisation de l’etape reductase dans MsrA
Substrate ReductionSpecies CharactherizationEnvironment Effects
Molecular Mechanics&
Molecular Dynamics
Active Site Protonation StatesSubstrate Docking ConditionsMichaelis Complex Structure
RecognitionMolecular
& Docking
ReactionMechanism
Quantum Mechanics
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Structure du site actif de MsrA
1FF3 (Tete-Favier et al., 2000)
De nombreuses mutageneses E94A Y82F Y134F F52L W53Adirigees disponibles E94D Y82F / Y134F W53F(Boschi-Muller et al.) E94Q E94Q / Y82F / Y134F
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Dynamique moleculaire de MsrA (Cys51-H / Glu−94)
â MsrA (1FF3) + DMSO (modele de MetSO)
â champs de forces: AMBER-94 + GAFF
â duree = 1ns, NPT, 300K, 1atm, ∆t = 0.5fs
â protonation du site actif: Cys51-H / Glu−94
â Le substrat s’eloigne
â La dynamique du site actif rejointcelle du site vide
Ù Interaction forte entre Cys51-H etGlu−94
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Dynamique moleculaire de MsrA
â Valeurs de pKa pour Cys51 et Glu94:
Cys51 Glu94
(exp.) (PROPKA)1
Enzyme libre 9.5 6.4
Substrat + Enzyme 5.7 N/A
â Deux etats possibles pour Glu94: Glu−94 ou Glu94-H
+ Six simulations: Enzyme libre DMSO + Enzyme
Cys51-H/Glu−94 Cys51-H/Glu−94
Cys51-H/Glu94-H Cys51-H/Glu94-H
Cys−51 /Glu94-H Cys−51 /Glu94-H
1logiciel d’evaluation rapide des pKas dans les proteinesGerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Dynamique moleculaire de MsrA (Cys51-H / Glu94-H)
Cys51
S
O
H
O
O
Glu94
H Tyr82
HS O
CH3Met
H
O
Tyr134H O
Tyr197
Phe52 - Trp53
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Dynamique moleculaire de MsrA (Cys−51 / Glu94-H)
Cys51
S
O
H
O
O
Glu94
H Tyr82
HS O
CH3Met
H
O
Tyr134O
Tyr197
Phe52 - Trp53
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Complexe de Michaelis dans MsrA
â La protonation de Glu94 est essentiellepour la reconnaissance du substrat
â L’activation de Cys51 (deprotonation)peut avoir lieu apres ou simultanementavec l’ancrage du substrat
Cys51
SH HO
O
Glu94Cys51
SH O
O
Glu94
Cys51
SH S O
CH3
Met
O
O
Glu94
O
H
Tyr82-134O
H
Tyr82-134
O
H
Tyr82-134
Cys51
S S O
CH3
Met
O
O
Glu94
O
H
Tyr82-134
H
H
Phe52- Trp53
Phe52- Trp53
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Mecanisme de reaction de MsrA
Mecanique Quantique
â DFT: B3LYP
â Jeux de bases:Optimization = 6-31G(d)Energy = 6-311++G(2df,2p)
Systeme modele
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Mecanisme de reaction de MsrA: formation du sulfurane
(kcal/mol)Energy
−24.80.0
+5.4
+5.4 +4.6
+3.6
+5.8
Michaelis Complex Sulfurane−like intermediate
Weak bond orders
(S−S = 0.49 / S−O = 0.59)
Pre−dissociative state
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Mecanisme de reaction de MsrA
Deux mecanismes possibles pour la formation de l’acide sulfeniquea partir du sulfurane:
1 Mecanisme direct:
Cys51
S S OH
CH3
Met
Cys51
S S
HO
Met
CH3Cys51
S S
OH
Met
CH3
Cys51
SS
MetCH3
OH
2 Mecanisme assiste:
Cys51
S S OH
CH3
Met
AH
Cys51
S S
CH3
Met
H2O
O
H
H O
H
H
A
Cys51
S S
CH3
Met
H2O
A
OHH
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Mecanisme de reaction de MsrA
Deux mecanismes possibles pour la formation de l’acide sulfeniquea partir du sulfurane:
1 Mecanisme direct:
Cys51
S S OH
CH3
Met
Cys51
S S
HO
Met
CH3Cys51
S S
OH
Met
CH3
Cys51
SS
MetCH3
OH
∆E ‡ ∼ 25 kcal/mol
2 Mecanisme assiste:
Cys51
S S OH
CH3
Met
AH
Cys51
S S
CH3
Met
H2O
O
H
H O
H
H
A
Cys51
S S
CH3
Met
H2O
A
OHH
∆E ‡ ∼ 2 kcal/mol
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Mecanisme de reaction de MsrA: mecanisme assiste
Charge (a.u.) I2 TS2→3 I3S51 -0.61 -0.33 -0.24SDMSO 0.56 0.48 0.51ODMSO -0.55 -0.72 -0.60
Energy(kcal/mol)
0.0
+5.4
+3.6
+5.4 +4.6
+20.3
+6.8
−24.8
I1
I2
I3
I4
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Resume sur MsrA
Ancrage et reconnaissance moleculaire dans MsrA
â Un Glu94 neutre (protone) est essentiel pour l’ancrage de MetSO
â Pas besoin d’une activation prealable de Cys51 pour lareconnaissance du substrat
â L’activation (deprotonation) de Cys51 augmente la stabilisation dusubstrat
Mecanisme de reaction de MsrA
â Un intermediaire de type sulfurane est d’abord forme, puis unsulfuranyle qui est ensuite hydrolyse par une molecule d’eau
â L’oxygene de l’acide sulfenique ne provient pas de MetSO
â Glu94 et Tyr82/134 participent fortement a la catalyse
Perspectives
â Transposition au mecanisme dans MsrB ?
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Urate Oxydase: l’enzyme
â Urate Oxydase (UOx) est responsable de la degradation del’acide urique en allantoıne dans la plupart des organismesvivants, a l’exception de l’homme et des grands primates.
â Numero E.C.: 1.7.3.3
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Une histoire industrielle
â Sanofi-Aventis produit ∼ 1 kg d’UOx par an pour environ15000 patients
â UOx est utilise dans le traitement des desordreshyperuricemiques resultant de chimiotherapies
â Le medicament Uricozyme R© a ete enregistre en France il y aplus de 30 ans . . . probablement l’une des plus vieillesproteines therapeuthiques !
â Uricozyme R© est une solution d’uricase d’Aspergillus flavusstabilise par l’inhibiteur competitif 8-azaxanthine
â Fasturtec R© est une solution d’urate oxydase recombinante,rasburicase, produite par Saccharomyces cerevisiae a partir dugene d’Aspergillus flavus
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Donnees structurales (Aspergillus flavus)
â UoAf est une proteine de 301 residues
â 3 Cys, pas de pont disulfure
â En solution, elle est active sous forme homo-dimere ouhomo-tetramere
â Elle interagit avec Cu, mais elle n’a besoin d’aucun metalpour son activite, ni de cofacteur ...→ pas d’analogie mecanistique avec les enzyme redoxhabituelles.
â pH optimum assez eleve: ∼ 8−10
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Structure crystallographique
â N. Colloc’h et al. Nat. Struct. Biol. 1997 2.05 A Res.P. Retailleau et al. Acta Cryst. D 2004 1.75 A Res.
â La proteine active est un tetramere dans le cristal(M ∼ 4∗32kD)
â Les structures incluent la 8-azaxanthine (inhibiteur)
â Le site actif est situe a la jonction de deux monomeres
â Cela explique pourquoi le monomere n’est pas actif,contrairement a l’homo-dimere
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Structure du monomere UoAf
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Structure du tetramere UoAf
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Le site actif
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Le site actif
N
N NN
N
O
O
N N
NArg176(A)
N
ON
O
O
N
Gln228(A)
Val227(A)
NO
Ala56(D)
O
O
Thr57(D)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Le site actif
N
N NN
N
O
O
HN NH
HNArg176(A)
HN
ON
O
O
N
Gln228(A)
Val227(A)
NO
Ala56(D)
O
O
Thr57(D)
H
HH
H H
HH
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Remplacement de 8-Aza par l’urate
N
N NC
N
O
O
N N
NArg176(A)
N
ON
O
O
N
Gln228(A)
Val227(A)
NO
Ala56(D)
O
O
Thr57(D)
O
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
UOx lie le dianion 3-7
N
N NC
N
O
O
HN NH
HNArg176(A)
HN
ON
O
O
N
Gln228(A)
Val227(A)
NO
Ala56(D)
O
O
Thr57(D)
H
HH
H H
H
O
H
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Questions
â Pourquoi un dianion pour substrat ?
â Pourquoi ce dianion ? (“dianion 3-7”)
â Pourquoi l’azaxanthine est-elle un inhibiteur ?(remplacement d’un C=O par N)
â Quel est le mecanisme d’oxydation par O2 ?
â Quel est le role des molecules d’eau ?
â Deux intermediaires vues en cinetique: lesquels ?
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase: Modelisation
Procedure de Modelisation
â Etude des proprietes structurales et electroniques de l’acideurique et de ses anions:
3 stabilite relative des anions urates3 potentiels d’ionisation3 calculs de spectres UV-Visible
â Determination de la reactivite intrinseque de l’acide uriqueavec O2
3 tous les chemins de reactions possibles. . .3 . . . pour toutes les especes d’urates possibles
â Modelisation de la reactivite a l’interieur d’un modele de siteactif
3 intermediaires et etats de transition reactionnels
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Quelle(s) forme(s) en solution ?
â L’acide urique est present en solution sous forme mono- oudianionique
â pKa experimentale : environ 5.2-5.5 et 9.8-10.9
?N
N?
N?
?N
O
O
O
? = H or1
2 3 4
56
78
9
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Stabilite relative des monoanions
∆E en kcal/mol
Monoanions UrateMethodes 1 3 7 9
HF/6-31G** 23.5 0.0 24.6 2.6MP2//HF/6-31G** 17.2 0.0 18.6 1.6B3LYP/6-31G** 21.1 0.0 18.7 1.3PM3 16.3 0.0 17.6 3.6PM3(SCRF) 7.7 0.0 11.4 3.3
Comparaison avec donnees RMN:
â monoanion 3: espece majoritaire
â monoanion 9: traces
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Stabilite relative des dianions
∆E en kcal/molDianions Urate
Methodes 1-3 1-7 1-9 3-7 3-9 7-9
HF/6-31G** 24.2 24.8 5.3 4.5 0.0 25.9MP2//HF/6-31G** 22.3 20.4 4.9 0.5 0.0 24.6B3LYP/6-31G** 22.9 21.8 5.3 2.3 0.0 19.3PM3 15.1 14.2 0.6 4.6 0.0 24.7PM3(SCRF) 20.6 16.9 2.4 5.4 0.0 26.7
Comparaison avec donnees RMN:
â monoanion 3-9: espece majoritaire
â monoanions 3-7 et 1-9: traces
+ L’urate oxydase ne lie pas la forme dianionique la plus stable
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Potentiels d’ionisation
Urate−→ Urate+ + e−
MonoanionsB3LYP/6-31G** Uric Acid 1 3 7 9IP (kcal/mol) 177.3 67.3 60.4 48.7 58.5
DianionsB3LYP/6-31G** 1-3 1-7 1-9 3-7 3-9 7-9IP (kcal/mol) -55.6 -55.2 -49.4 -60.5 -50.9 -70.3
+ PI < 0: Les dianions donnent “spontanement” un electron aun accepteur potentiel
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
La premiere etape de la reaction
â Affinite electronique de O2: 12.6 kcal/mol (B3LYP/6-31G**)
O2 + e− −→ O−2
â La premiere etape de la reaction est un transfert spontaned’un electron de l’urate 3-7 vers le dioxygene.
Urate2−3−7 + O2 −→ Urate−3−7 + O−2
â L’etat triplet se transforme naturellement en une somme dedeux etats doublets
â degenerescence de l’etat triplet et de l’etat singulet
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate Oxydase
Modelisation du site actif
â Especes reactives: Urate3−7 + O2 + 1 ou 2 H2O
â Pour permettre la reaction, les especes sont tenues dans un“etau moleculaire”: UOx
â Un ensemble minimum d’atomes de UOx doivent donc etreinclus dans le modele
â Un ensemble minimal possible: Phe159(A), Arg176(A),Gln228(A), Asn254(A), Thr57(D)
â 77 atomes → calculs semi-empiriques PM3
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Modelisation du site actif: avec une molecule d’eau
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Modelisation du site actif: avec deux molecules d’eau
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Premier TS: transfert de proton (W2 Ù O2)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Premier etat intermediaire
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Deuxieme TS: un transfert de proton (Ur Ù W2)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Deuxieme etat intermediaire
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Troiseme TS: un transfert d’hydrogene (W1 Ù HO2)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Troisieme etat intermediaire
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Quatrieme TS: fermeture (OH Ù Ur)
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Produit: 5-Hydroxyisourate
Gerald Monard Modelisation de la reactivite biochimique
Urate OxydaseEnergies du Chemin Reactionnel (kcal/mol)
0.0/0.0
O
O
O
OH
H
OH
HHN
CN
C
N
C
N
O
OH
9.1/9.1−→
3.7/3.7
O
O H
OH
HHN
CN
C
N
C
N
O
OH
HO
O
10.6/10.6−→
−7.1/−7.1
O
OH
HHN
CN
C
N
C
N
O
O
HO
O
H
O H
−7.1/−7.1
O
OH
HHN
CN
C
N
C
N
O
O
HO
O
H
O H
27.9/27.9−→
10.8/10.8
O
OH
HN
CN
C
N
C
N
O
O
H
O H
H
HO
O
20.0/24.4−→
−26.8/22.1
OHN
CN
C
N
C
N
O
O
OH
H
O H
H
HO
O
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Urate Oxydase
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Urate Oxydase
Densite de spin
Atoms Reactives I1 I2 I3 Products
C4 0.057 0.031 0.022 -0.001 0.000
C5 0.233 0.301 0.309 0.334 0.000
N7 0.462 0.421 0.431 0.415 0.000
C8 -0.052 -0.044 -0.049 -0.051 0.000
O8 0.153 0.157 0.163 0.165 0.000
N9 -0.024 -0.028 0.032 0.056 0.000
H9 -0.000 0.000 -0.000 -0.000 0.000
O2 0.002 0.002 0.000 -0.000 0.000
H12 0.001 -0.000 0.000 -0.000 0.000
H22 0.000 0.011 0.013 0.000 0.000
O1 -0.460 -0.343 -0.308 -0.000 0.000
O2 -0.543 -0.670 -0.704 0.001 0.000
H11 0.001 -0.000 0.001 -0.002 0.000
O1 -0.000 0.000 -0.002 -1.034 0.000
H21 0.000 -0.000 0.000 0.032 0.000
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Urate Oxydase
Charges de Mulliken
Atoms Reactives I1 I2 I3 Products
C4 0.091 0.093 0.174 0.167 0.072
C5 -0.307 -0.313 -0.341 -0.342 0.168
N7 -0.237 -0.263 -0.298 -0.315 -0.647
C8 0.286 0.273 0.329 0.326 0.384
O8 -0.352 -0.369 -0.404 -0.401 -0.449
N9 -0.058 -0.121 -0.471 -0.433 -0.370
H9 0.234 0.297 0.319 0.299 0.285
O2 -0.537 -0.850 -0.518 -0.503 -0.490
H12 0.194 0.157 0.192 0.187 0.191
H22 0.234 0.292 0.247 0.261 0.246
O1 -0.451 -0.100 -0.056 -0.282 -0.257
O2 -0.406 -0.275 -0.218 -0.295 -0.290
H11 0.259 0.215 0.207 0.258 0.254
O1 -0.511 -0.458 -0.457 -0.252 -0.402
H21 0.206 0.224 0.229 0.258 0.283
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Urate Oxydase
Conclusions
â UOx lie le dianion 3-7. Pourquoi ? Parce que c’est le meilleurdianion pour une reaction redox avec O2.
â Deux molecules d’eau sont impliquees dans le mecanismeElles ont ete identifiees par cristallographie
â UOx agit comme un etau moleculaire
â Le reactif en etat triplet se transforme continuement en unproduit a l’etat singulet couches fermees par transfertspontane d’un electron de l’urate vers O2 (formation d’unsuperoxyde)
â Interpretation des donnees experimentales:INT I: complexe O•−2 - “monoanion 3-7”INT II: complexe HOO• et dianion 3-7
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Conclusions
â La modelisation moleculaire est un outil puissant permettantd’aider a l’interpretation de donnees experimentales+ C’est un complement et non un remplacant de l’experience
â Elle permet une vision moleculaire/atomistique desphenomenes mises en jeu
â Deux grandes familles de modeles
3 La mecanique quantique: description des electrons+ description des electrons+ reactivite de petits systemes
3 La mecanique classique (champ de forces)+ atomes = charges ponctuelles+ modelisation de vastes edifices moleculaires non reactifs
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La modelisation moleculaire a Nancy
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