licence sciences et technologies chimie stage 2012-2013

LICENCE SCIENCES ET TECHNOLOGIES CHIMIE
STAGE 2012-2013
TITRE : « Linear-scaling DFT » appliquée à la biochimie :
Etude de l’enzyme respiratoire cytochrome c oxidase
SUJET : cf. ci-dessous
TECHNIQUES UTILISEES : simulation numérique ; physique et chimie
théorique ; modélisation sur ordinateur ; mécanique quantique.
LABORATOIRE D’ACCUEIL : ISM
Equipe d’accueil : groupe THEO
RESPONSABLE SCIENTIFIQUE :
Tél : 05 4000 2794
Mél : [email protected]
Adresse : Institut des Sciences Moléculaires, Bat. A22/3e étage Est, Université
Bordeaux I, 351 Cours de la Libération, 33405 Talence, France
« Linear-scaling DFT » appliquée à la biochimie :
Etude de l’enzyme respiratoire cytochrome c oxidase
Le cytochrome c oxidase (CcO) est une enzyme
terminale de transduction d’énergie intervenant
dans la chaine respiratoire.
Cette protéine
complexe est localisée dans la membrane interne
2+
des mitochondries. Sa forme réduite (cyt ) associée
à l’oxygène respiré intervient dans le mécanisme
d’oxydoréduction :
2+
+
3+
4cyt + O2 + 4H → 4cyt + 2H2O
permettant le transfère de 4 électrons vers
l’oxygène moléculaire et formant 2 équivalents de
molécule d’eau. Cette réaction exothermique
implique aussi la conduction à travers la membrane
de 4 protons provenant de la matrice aqueuse
interne (pH basic) vers le cytoplasme (pH acide):
2+
4cyt + O2 + 8H
Fig. 1 Schéma des mécanismes biochimiques du CcO.
Seul les sous-unités I et II sont représentée ainsi que les
centres métalliques intervenant dans les réactions
d’oxydoréduction. Les mécanismes de transfert
électronique (flêches rouges) et les canaux de
conduction protonique sont indiqués.
+
3+
matrix
→ 4cyt + 2H2O + 4H
+
cytoplasme
Le résultat est la génération et le stockage d’énergie
sous forme d’un potentiel électrochimique utilisée
lors de la synthèse de l’ATP. Les études
expérimentales
(principalement
DRX
et
spectroscopies vibrationnelles) ne permettent pas
d’ élucider
totalement
les
mécanismes
électrochimiques sous-jacents et parfois mènent à
des controverses.
L’élucidation de ces processus couplés de transfert électronique et de conduction protonique peut aussi être
envisagée à travers les modélisations/simulations numériques. Il s’agit dans ce stage d’étudier le
fonctionnement du cytochrome c oxydase à partir des outils de calculs dérivant de la mécanique quantique, et
plus particulièrement de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Malheureusement, l’application de
ce cadre théorique, dans les implémentations standards, reste limitées à l ’étude de systèmes comprenant
quelques centaines d’atomes --à comparer aux 20 000 atomes constituant les sous-unités I&II du CcO.
L’avènement des méthodes de calcul à croissance linéaire --et notamment des méthodes du type linear scaling
DFT (www.conquest.ucl.ac.uk)-- a permit de franchir cette barrière et de traiter le million d’atomes en
quelques heures avec le support de centre de calcul haute performance. Les objectifs de ce stage sont :


L’étude des différents mutants du CcO et l’analyse de la densité électronique sur les centres
métalliques en fonction des degrés d’oxydation et des ligands.
L’affinement des structures obtenues par DRX, plus particulièrement valider la présence et les
positions des molécules d’eau dans les canaux de conductions protoniques.
Keywords : chimie inorganique, modélisation, biologie structurale, calcul haute performance.
Contact : Dr. Lionel Truflandier, Institut des Sciences Moléculaires , Université Bordeaux I, 351 Cours
de la Libération, 33405 Talence, France ([email protected] )