Modélisation de la reconnaissance et de la catalyse enzymatiques : Développements méthodologiques et détermination du mécanisme des Métionine Sulfoxyde Réductases de classe A, Modeling of enzymatic recognition and catalysis: methodological developments and determination of class A Methionine Sulfoxide Reductases mechanism

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Sous la direction de Gérald Monard, Manuel Ruiz-Lopez
Thèse soutenue le 04 juin 2009: Nancy 1
La modélisation de la reconnaissance et de la catalyse enzymatiques a été abordée dans ce travail. Dans une première partie, un logiciel de docking (AlgoGen-DivCon), déterminant la structure optimale d'un système protéine-ligand, a été développé en combinant une méthode semi-empirique couplée à un algorithme à croissance linéaire (Divide & Conquer) pour la description du système et un algorithme génétique (AlgoGen) pour la recherche conformationnelle. Des tests sur différents systèmes, dont des complexes enzyme-substrat, ont été effectués pour valider l'approche. La seconde partie concerne l'étude du mécanisme (phase réductase) des méthionine sulfoxyde réductases de classe A (MsrA), catalysant la réduction de résidus méthionine oxydés (MetSO). A l'aide de simulations de dynamique moléculaire pour différents états de protonation du site actif de l'enzyme, nous montrons que l'ancrage du substrat est particulièrement favorable pour un état de protonation Glu94H et Cys51-. L'étude au niveau quantique du mécanisme de réduction, à partir du complexe michaélien, indique la formation d'une espèce sulfurane par protonation de la fonction sulfoxyde et création d'une liaison S-S avec Cys51. Le transfert d'un second proton provenant de Tyr134 (ou Tyr82) vers le groupement OH du sulfurane induit la formation d'une molécule d'eau et la dissociation de la liaison S-O. L'ion sulfuranyle résultant est enfin hydrolysé pour former un intermédiaire acide sulfénique et le substrat réduit. D'après le profil d'énergie, ce chemin pourrait être simplement décrit par un mécanisme concerté et asynchrone impliquant deux transferts de proton.
-Catalyse enzymatique
The modeling of enzymatic recognition and catalysis has been examined in this work. In the first part, a docking software (AlgoGen-DivCon) to determine the optimal structure of a protein-ligand system, has been developed. The molecular system has been described using a semiempirical method combined with a linear scaling algorithm (Divide & Conquer), while the conformational search has been performed by a genetic algorithm (AlgoGen). Tests on different systems, including enzyme-substrate complexes, have been conducted to validate the approach. The second part concerns the study of the mechanism (reductase phase) of class A methionine sulfoxide reductases (MsrA), which catalyzes the reduction of oxidized methionine residues (MetSO). By means of molecular dynamics for different protonation states of the enzyme active site, we have shown that the substrate docking is particulary favourable for a Glu94H and Cys51- protonation state. The quantum chemistry study of the reduction mechanism, starting from the Michaelis complex, indicates that the process is initiated by the formation of a sulfurane species, after protonation of the sulfoxide and simultaneous formation of a S-S bond with Cys51. A second proton transfer from Tyr134 (or Tyr82) to the sulfurane OH group induces the formation of a water molecule and the dissociation of the S-O bond. The resulting sulfuranyl ion is finally hydrolyzed to form a sulfenic acid intermediate and the reduced substrate. According to the energy profile, this path could be simply described as a concerted and asynchronous mechanism involving two proton transfers.
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10053/document
Publié le : dimanche 30 octobre 2011
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Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires (SESAMES)
Département de Formation Doctorale en Chimie Informatique et Théorique
THÈSE
présentée à l’Université Henri Poincaré - Nancy I
en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy I
en Chimie Informatique et Théorique
par
Eddy THIRIOT
Modélisation de la reconnaissance et de la catalyse
enzymatiques : développements méthodologiques et
détermination du mécanisme des Méthionine Sulfoxyde
Réductases de classe A
soutenue publiquement le 4 juin 2009, salle Jean Barriol, Faculté des Sciences et Techniques
Membres du jury :
Président :
M. Guy BRANLANT Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
Rapporteurs :
M. Serge ANTONCZAK Maître de Conférences (HDR), Université Nice Sophia Antipolis
Mme. Anne MILET Professeur, Université Joseph Fourier, Grenoble
Examinateurs :
Mme. Sandrine BOSCHI-MULLER Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
M. Eric HENON Professeur, Université de Reims Champagne-Ardenne
Directeurs de thèse :
M. Gérald MONARD Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
M. Manuel F. RUIZ-LOPEZ Directeur de recherche, CNRS, Nancy
Equipe de Chimie et Biochimie Théoriques, Unité Mixte de Recherche CNRS-UHP 7565
Faculté des Sciences et Techniques, BP 239 - 54506 Vandœuvre-lès-Nancy CedexU.F.R. Sciences et Techniques de la Matière et des Procédés
Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires (SESAMES)
Département de Formation Doctorale en Chimie Informatique et Théorique
THÈSE
présentée à l’Université Henri Poincaré - Nancy I
en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy I
en Chimie Informatique et Théorique
par
Eddy THIRIOT
Modélisation de la reconnaissance et de la catalyse
enzymatiques : développements méthodologiques et
détermination du mécanisme des Méthionine Sulfoxyde
Réductases de classe A
soutenue publiquement le 4 juin 2009, salle Jean Barriol, Faculté des Sciences et Techniques
Membres du jury :
Président :
M. Guy BRANLANT Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
Rapporteurs :
M. Serge ANTONCZAK Maître de Conférences (HDR), Université Nice Sophia Antipolis
Mme. Anne MILET Professeur, Université Joseph Fourier, Grenoble
Examinateurs :
Mme. Sandrine BOSCHI-MULLER Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
M. Eric HENON Professeur, Université de Reims Champagne-Ardenne
Directeurs de thèse :
M. Gérald MONARD Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
M. Manuel F. RUIZ-LOPEZ Directeur de recherche, CNRS, Nancy
Equipe de Chimie et Biochimie Théoriques, Unité Mixte de Recherche CNRS-UHP 7565
Faculté des Sciences et Techniques, BP 239 - 54506 Vandœuvre-lès-Nancy CedexJe remercie toutes les personnes qui, de près ou de loin, m’ont accompagné
et m’ont soutenu durant ces cinq années de thèse.
Je remercie tout d’abord le Pr. Gérald Monard et le Dr. Manuel Ruiz-López,
mes co-directeurs de thèse, de m’avoir accueilli au sein de l’équipe de Chimie
et Biochimie Théoriques et d’avoir accepté d’encadrer mon travail. Je tiens à
leur montrer ma profonde reconnaissance pour leur patience et leur disponibilité
pour répondre à mes interrogations et résoudre mes problèmes ainsi que pour
le travail de relecture de ce manuscrit.
Je remercie le Pr. Guy Branlant et le Pr. Sandrine Boschi-Muller d’avoir ac-
cepté de faire partie de mon jury de thèse et pour leurs suggestions concer-
nant le manuscrit. J’étends ces remerciements à tous les membres (et ex-
membres) de l’équipe d’Enzymologie Moléculaire et Structurale (AREMS) pour
les réunions (officielles ou non) au cours desquelles nous avons pu discuter et
échanger nos résultats et nos points de vue concernant le mécanisme des Msr.
Je souhaite aussi remercier le Pr. Anne Milet et le Dr. Serge Antonczak d’avoir
accepté de rapporter cette thèse et le Pr. Eric Hénon d’avoir accepté de juger
mon travail.
Je tiens à montrer toute ma gratitude au Pr. Eric Hénon et au Pr. Frédéric
Bohr pour l’intérêt qu’ils portent à mon travail et leur soutien constant depuis
mon stage de maîtrise, il y a sept ans. Je les remercie de m’avoir fait décou-
vrir le monde de la chimie théorique. J’adresse aussi mes remerciements au
Dr. Sébastien Canneaux, ancien thésard de la "Dream Team" rémoise, pour sa
proposition de stage post-doctoral dans son équipe dès septembre prochain.
J’adresse un grand merci aux membres du CBT et du SRSMC pour leur gen-
tillesse, leur sympathie et surtout pour l’aide qu’ils m’ont apportée pendant mon
séjour au laboratoire. Je ne ferai pas la liste de toutes ces personnes, mais
qu’elles sachent qu’elles ont été essentielles à l’accomplissement de cette thèse
dans un cadre très agréable.
Je ne manquerai pas de remercier le Pr. Pascale Friant-Michel d’avoir ac-
cepté d’être ma tutrice de monitorat et de m’avoir proposé de poursuivre mon
expérience d’enseignement par deux années d’ATER.
Mes remerciements s’adressent, enfin, à mes amis et à ma famille qui, comme
dans les coulisses d’un théâtre, ont joué un rôle tout aussi important que les
autres dans la réalisation de mon travail de thèse. Je pense tout particulière-
ment à Nicolas auprès duquel j’ai trouvé une présence plus que précieuse. Je
le remercie d’avoir compris et apaisé mes angoisses et de m’avoir montré un
soutien indéniable. J’adresse un immense merci à mes parents à qui je dédie
ce manuscrit. Ils n’ont jamais hésité à faire des sacrifices financiers pour me
permettre de poursuivre mes études. En acceptant et en soutenant mes choix
durant mon parcours scolaire, ils auront aussi su trouver la meilleure façon de
m’aider. Pour tout cela, je leur serai toujours reconnaissant.Il est bien difficile de croire que tant
de merveilles, tant d’astuces
miraculeuses, tant d’ingéniosité
dans le monde soient l’effet du
hasard et de la chimie seulement.
La faim du tigre (1966)
René Barjavel
(1911-1985)Table des matières
Introduction, objectifs 13
I. Développement d’un programme de docking moléculaire semi-empirique à
croissance linéaire 19
1. Rappels bibliographiques et objectifs 21
1.1. Utilité des programmes de docking moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.1. Modélisation du système protéine-ligand et définition du score . . . . . . . . 23
1.2.2. Algorithme de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3. Motivations pour le développement d’un nouveau programme . . . . . . . . . . . . 25
1.4. Objectifs, cahier des charges du nouveau programme . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2. Développement d’un algorithme génétique de minimisation 29
2.1. Méthodes de minimisation et atouts des algorithmes génétiques . . . . . . . . . . . 30
2.2. Principe des algorithmes génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1. Définition et principe général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2. Exemple de minimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3. Programmation de l’algorithme génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1. Structure du code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2. Codage des gènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3. Sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4. Reproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.5. Stratégie d’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.6. Population initiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.7. Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3. Interface ALGOGEN-DIVCON 55
3.1. Présentation générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2. Structure du code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.1. Module docking.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.2. Module quaternion.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.3. Module divcon.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3. Déroulement du docking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

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