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Modélisation des propriétés électrostatiques des complexes macromoléculaires à partir des données de diffraction des rayons X à très haute résolution, Modeling of electrostatic properties in macromolecular complexes using X-ray diffraction data at ultra-high resolution

De
279 pages
Sous la direction de Christian Jelsch
Thèse soutenue le 06 juillet 2010: Nancy 1
La diffraction des rayons X permet d’obtenir des informations sur la structure atomique et même sur la distribution de charges de composés sous forme cristalline, ce qui est d’une importance fondamentale pour la compréhension de leurs propriétés. Accéder expérimentalement à une description de la distribution de charges de systèmes macromoléculaires reste rarement possible malgré les améliorations techniques. Pour pallier cette limite, la transférabilité des paramètres de distributions de charges est un moyen fiable d’obtenir pour ces systèmes un modèle estimé et d’en déduire leurs propriétés électrostatiques. Les résultats présentés dans ce travail de thèse s’intègrent dans une dynamique visant à étendre les méthodes initialement réservées pour l’étude des petites molécules aux systèmes macromoléculaires. Il s’articule autour du développement de la suite de logiciels MoPro et de la banque de données ELMAM (Experimental Library of Multipolar Atom Model) pour l’étude des énergies des interactions électrostatiques au sein du site actif de complexes enzyme-inhibiteur. L’étude du fidarestat, un inhibiteur de l’holoenzyme aldose réductase, réalisée à partir de données obtenues à très haute résolution, est exposée dans ce manuscrit et a servi notamment à l’amélioration de la banque ELMAM en vue de l’étude des complexes holoenzymes aldo-keto réductase. A cette occasion, la légitimité du recours aux modèles transférés de distribution de charges a été discutée pour la première fois par une estimation statistique des incertitudes sur les énergies d’interaction électrostatique entre enzyme et inhibiteur
-Densité électronique
-Diffraction des rayons X
-Interactions intermoléculaires
-Propriétés électrostatiques
-Énergies d’interaction électrostatique
-Incertitudes
-Complexes enzyme-inhibiteur
-Macromolécules
X-ray diffraction allows to obtain information about atomic structure and charge density distribution of crystal-state compounds, which is of main interest for the understanding of their properties. Reaching experimentally charge density distribution description of macromolecular systems is rarely possible despite technical improvements. To get around this limit, the transferability of charge density distribution parameters is a reliable way to obtain for these systems estimated model and to deduce their electrostatic properties. Works introduced in this PhD thesis manuscript take part in the will of extending methods initially for study of small molecules to macromolecular systems. It is centered on the development of the MoPro software suite and of ELMAM database (Experimental Library of Multipolar Atom Model) for the study of electrostatic interaction energies in enzyme-inhibitor complexes’ active site. The study of fidarestat, an inhibitor of aldose reductase holoenzyme, performed using ultra-high resolution data, is exposed in this manuscript and allowed to improve ELMAM database for the study of electrostatic interaction in aldo-keto reductase holoenzyme complexes. Moreover, the legitimacy of using transferred charge density distribution models was discussed for the first time, thanks to statistical estimation of uncertainties on electrostatic interaction energies between enzyme and inhibitor
-Electron density
-X-ray diffraction
-Intermolecular interactions
-Electrostatic properties
-Electrostatic interaction energies
-Uncertainties
-Enzyme-inhibitor complexes
-Macromolecules
Source: http://www.theses.fr/2010NAN10074/document
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AVERTISSEMENT

Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le
jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la
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Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci
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de l’utilisation de ce document.

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LIENS


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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES
U.F.R. Sciences & Techniques de la Matière et des Procédés
Ecole Doctorale EMMA
Département de Formation Doctorale STMP




THESE

Présentée pour l'obtention du titre de

Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy I
En Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux


Par

Bertrand FOURNIER


TITRE

Modélisation des propriétés électrostatiques des complexes
macromoléculaires à partir des données de diffraction
des rayons X à très haute résolution


Soutenance publique prévue le 6 Juillet 2010


Membres de Jury :

mePrésidente : M Anne RENAULT Directeur de Recherche, Université de Rennes I.
r
Rapporteurs : M Gérard BRICOGNE Directeur de Global Phasing Ltd, Cambridge, G-B &
Membre correspondant à l’Académie des Sciences.
rM Marc SCHILTZ Professeur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne,
Suisse.
meExaminateurs : M Sine LARSEN Professeur, University of Copenhagen & Présidente de
l’IUCr.
r
M Bertrand BERCHE Professeur, U.H.P., Nancy I.
rM Christian JELSCH Chargé de Recherche, U.H.P., Nancy, Directeur de Thèse.
rM Claude LECOMTE Professeur, U.H.P., Nancy I.
rInvité : M Benoît GUILLOT Maître de conférences, U.H.P., Nancy I.
Laboratoire de Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisations
UMR CNRS 7036, Faculté des Sciences et Techniques - 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy Remerciements

Ce travail de recherche a été réalisé au laboratoire de Cristallographie, Résonance
Magnétique et Modélisations (CRM²) (UMR-CNRS 7036) de la Faculté des Sciences et
Techniques de l’université Henri Poincaré, Nancy I.
Je voudrais adresser mes remerciements à Monsieur Claude LECOMTE (Professeur)
pour m'avoir accueilli au laboratoire et pour le soutien qu’il m’a apporté.
Je tiens à remercier également Monsieur Christian JELSCH (Chargé de recherche au
CNRS), ainsi que Monsieur Benoît GUILLOT (Maître de conférences) pour avoir encadré
mon travail de doctorat et m’avoir donné l’opportunité de découvrir la cristallographie.
J'exprime toute ma reconnaissance aux membres du jury :
A Messieurs Gérard BRICOGNE et Marc SHILTZ qui m'ont fait l'honneur de juger ce
travail, qu’ils trouvent ici l’expression de mes sincères remerciements.
Je tiens également à remercier Madame Anne RENAULT (Professeur) de l’Institut de
Physiques de Rennes pour avoir présidé mon jury de soutenance de thèse, mais aussi Madame
Sine LARSEN (Professeur) du département de chimie de l’université de Copenhague et
Monsieur Bertrand BERCHE (Professeur) de l’IJL de Nancy pour avoir accepté le rôle
d’examinateur.
Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Messieurs El-Eulmi BENDEIF (Maître
de conférences) et Enrique ESPINOSA (Professeur) pour leur soutien et leur disponibilité
sans faille durant ma thèse.
Que Messieurs Sébastien LEBEGUE (Chargé de recherche au CNRS), Slimane
DAHAOUI (Maître de conférences), Claude DIDIERJEAN (Maître de conférences), Janos
ANGYAN (Directeur de recherche au CNRS) et Emmanuel AUBERT (Maître de conférences),
ainsi que Madame Virginie PICHON-PESME (Maître de conférences) trouvent ici toute ma
gratitude pour nos discussions enrichissantes et leurs conseils fructueux.
J’exprime toute ma reconnaissance à Monsieur Alberto PODJARNY (Professeur à
l’IGBMC de Strasbourg) pour son aide dans l’étude du fidarestat et des complexes aldo-keto
reductase – inhibiteurs.
Je souhaite également remercie Monsieur Angelo GAVEZZOTTI (Professeur au
DCSSI de Milan) et Madame Nouzha BOUHMAIDA (Maître de conférences au LSM de
Marrakech) pour nos échanges concernant le calcul des énergies d’interaction
intermoléculaire. Je tiens à remercier tout le personnel du laboratoire qui m’a apporté son aide tout au
long de ces années de thèse. Que Messieurs Emmanuel WENGER et Abdelatif DOUDOUH
soient remerciés pour l’assistance technique qui m’ont apporté dans l’étude du fidarestat.
Je n'oublierai pas mes camarades de bureau qui ont su créer une très bonne ambiance
de travail : Maxime, Isabella, Nawel, Mariya, Adellatif, Sophie, William, Elena, Ru-Fen et
Slawomir, mais aussi l’ensemble des membres du laboratoire.
Je tiens à saluer également mes camarades de sport, notamment Fabrice et Romain, qui
m’ont fait partager leur passion avec simplicité et ouverture d’esprit.
Je remercie chaleureusement ma famille, ma soeur et en particulier mes parents pour
leur soutien tout au long de mes études supérieures et leurs encouragements.
Pour finir, je tiens à dédier ce travail à ma grand-mère Gilberte qui a toujours cru en
moi, ainsi qu’à mon neveu Baptiste qui nous a quitté trop tôt.
SOMMAIRE

Introduction 1

I. La diffraction des rayons X, Techniques & Méthodes 9

I.1. La diffraction des rayons X 11
I.1.1. Pourquoi la diffraction des rayons X ? 11
I.1.2. La clé de la diffraction des rayons X sur un monocristal 11
I.1.3. Facteur d’agitation thermique ou de Debye-Waller 13

I.2. L’affinement cristallographique et les différents modèles 16
couramment utilisés
I.2.1. Qu’est-ce qu’un affinement cristallographique 16
I.2.2. Les modèles de distribution de charges 17
I.2.3. Stratégies d’affinement cristallographique 24
I.2.4. Critères de validation des affinements cristallographiques 33

II. Caractérisation de la distribution de charges d’un composé 43
et propriétés électrostatiques dérivées

II.1. Propriétés électrostatiques 46
II.1.1. Le potentiel électrostatique 46
II.1.2. Le Laplacien de densité électronique 48
II.1.3. L’analyse topologique de la distribution de charges 49

II.2. Energies d’interaction intermoléculaire 55
II.2.1. Expression de l’énergie d’interaction totale entre deux composés 55
II.2.2. Calcul des énergies d’interaction électrostatique 60
II.2.3. La banque de paramètres multipolaires, ELMAM 85 III. Etude de la densité de charges du fidarestat, 91
un inhibiteur de l’aldose réductase humaine

III.1. Introduction 93

III.2. Matériels et méthodes 95
III.2.1. Cristallisation 95
III.2.2. Collecte des données 95
III.2.3. Réduction des données 96
III.2.4. Affinement du modèle IAM 97
III.2.5. Affinement multipolaire 97
III.2.6. Stratégie d’affinement 97

III.3. Densité électronique du fidarestat 100
III.3.1. Affinement cristallographique 100
III.3.2. Structure et empilement cristallins 100
III.3.3. Densité électronique de déformation 105
III.3.4. Topologie des liaisons covalentes 107
III.3.5. Charges atomiques nettes 109

III.4. Propriétés électrostatiques du fidarestat 111
III.4.1. Potentiel électrostatique du fidarestat 111
III.4.2. Topologie des liaisons hydrogène H…O 112
III.4.3. Les liaisons hydrogène π...H—X 113
III.4.4. L’empilement cristallin et les énergies 117
d’interaction électrostatique

III.5. Conclusion 119
IV. Estimation de l’incertitude statistique des énergies 125
d’interaction électrostatique au sein
des systèmes macromoléculaires

IV.1. Motivations et objectifs 127

IV.2. Matériels et méthodes 132
IV.2.1. Outils d’affinement cristallographique 133
IV.2.2. Outils d’analyse statistique 136
IV.2.3. Fonction de perturbation 140

IV.3. Etude préliminaire 143
IV.3.1. Présentation du complexe aldose réductase – sorbinil 143
IV.3.2. Préparation « Shake » 145
IV.3.3. Etudes statistiques des indicateurs de qualité 147
IV.3.4. Etudes statistiques des coordonnées atomiques 152
IV.3.5. Détermination des distributions d’énergies d’interaction 162
électrostatique
IV.3.6. Discussion des conditions du test 169
IV.3.7. Discussion des résultats obtenus 191

IV.4. Applications à d’autres complexes macromoléculaires 197
IV.4.1. Choix des complexes 197
IV.4.2. Cas de la structure de l’aldose réductase complexée 198
avec l’inhibiteur fidarestat
IV.4.3. Cas de la structure de l’aldéhyde réductase complexée 206
avec l’inhibiteur fidarestat
IV.4.4. Cas de la structure de l’aldose réductase complexée 220
avec le stéréoisomère (2R,4S) de l’inhibiteur fidarestat
IV.5. Discussion & Perspectives 232

Conclusion et perspectives 239

Annexes 249









Introduction

1