champ de force pour la dynamique du chromophore de protéines fluorescentes GFP

Transcription

1 Détermination d un d champ de force pour la dynamique du chromophore de protéines fluorescentes GFP Germain Vallverdu, Jacqueline Ridard, Bernard Lévy, Isabelle Demachy Laboratoire de Chimie Physique Université Paris Sud 11

2 Champ de force pour la spectroscopie de protéines fluorescentes Structure Green Fluorescent Protein et mutants Fluorescence marqueurs ou sondes en imagerie de fluorescence Spectres d'émission BFP egfp YFP DsRed HcRed CFP chromophore

3 Analyse des déclins d de fluorescence H. Laguitton-Pasquier et F. Mérola, équipe photobiologie, LCP Nombre de coups (u.a) Fonction instrumentale t (ns) ph 7.4 ph Amplitude τ (ns) 1 ph 5.6 ph Dépendance des déclins au ph Plusieurs durées de vie nanosecondes Enjeu expérience théorie : Relation structure photophysique dans les GFP Objectifs de la modélisation Analyse des mécanismes de désactivation

4 Relation structure photophysique de la Green Fluorescent Protein Dynamique de l él état excité du chromophore dans la protéine Modélisation de processus de désactivationd isomérisation du chromophore, transfert de protons, transfert d excitation Transfert d électrons Transfert de protons Rotation / Conversion interne

5 Dynamique de l él état excité du chromophore isolé M.E. Martin, F. Negri, M. Olivucci JACS, 2004, 126, 5452 En phase gaz Méthode multiréférence CASPT2//CASSCF/6-31G* τ ϕ ϕ τ Conversion interne par isomérisation / rotation Désactivation non radiative ps

6 Dynamique de l él état excité du chromophore solvaté P. Altoe, F. Bernardi, M. Garavelli, G. Orlandi, F. Negri, JACS 2005, 127, 3952 En solution (+11) PCM CASPT2//CASSCF/6-31G* (-5) (0) (-13) ϕ τ Conversion interne par isomérisation / rotation Désactivation non radiative ps par rotation selon τ

7 Dynamique de l él état excité du chromophore dans la GFP Influence de la protéine sur le mouvement de rotation τ? τ P. Altoe, F. Bernardi, M. Garavelli, G. Orlandi, F. Negri, JACS 2005, 127, 3952

8 Dynamique de l él état excité du chromophore dans la GFP Influence de la protéine sur les mouvements de rotation ϕ? M.E. Martin, F. Negri, M. Olivucci JACS, 2004, 126, formes VB Supposition d une déstabilisation de la charge négative sur l imidazolinone par la protéine Champ de force incluant l influence de la protéine sur le mélange des formes VB

9 Contraintes de la protéine sur la rotation en ϕ Champ de force d ordre zéro Détermination des charges partielles pour la géométrie d équilibre FS, proche FC Paramètres pour le potentiel de rotation et la pyramidalisation CA2, CB2, CG2 = 0 Courbes Amber de rotation en ϕ

10 Ajustement des charges ponctuelles Champ de force Amber Ajustement RESP Kollman RHF/6-31G* Etat excité du chromophore Ajustement type RESP CIS/6-31+G* ou CASSCF/6-31G* Programme d ajustement avec Contraintes (Bernard Lévy) Ajustement sur le potentiel électrostatique Grille de points i Vi = j qj 2 χesp = (Vi (abinitio) Vi (ch arges))2 rij i Restrictions et contraintes Valeurs cibles de charges, égalité de charges, valeurs du moment dipolaire 2 2 χ 2 = χ esp + χ contr avec ( ) 2 χ contr = A q0 j q j 2 j 2 χ contr = A (µ abinitio µ {q })2 NH2 COH

11 Contraintes de la protéine sur la rotation en ϕ Champ de force d ordre zéro/ Potentiel de force moyenne Potentiel de force moyenne Avec contrainte sur ϕ Mouvement de basculement du pont Entre deux cycles quasi coplanaires ϕ

12 Contraintes de la protéine sur la rotation en ϕ Champ de force d ordre d zéro/ z Potentiel de force moyenne Potentiel de force moyenne Avec contrainte sur la torsion entre les deux cycles La protéine limite la conversion interne par rotation du phénolate

13 Amélioration du champ de force Termes du Champ de force pour la torsion du chromophore Mouvement de torsion des 2 cycles : déformations de 4 coordonnées di dp Angle phénol- pont dp Angle imidazolinone pont di Pyramidalisation du carbone CG2 pp Pyramidalisation du carbone CA2 pi Construction du champ de force sur un ensemble de géométries représentatives

14 Dynamique du chromophore excité dans la protéine Construction d un d champ de force à charges variables DM, Statistique importante, biais statistique Champ de force Effet de la protéine sur les énergies des formes VB Bonne statistique sur les croisements entre états Cahier des charges du champ de force de l état excité du chromophore Simple et additif Pas de polarisation Variations des charges en fonction des déformations internes du chromophore et en fonction du mélange des formes VB Ajustement des paramètres de potentiels internes

15 Mouvement du chromophore dans la protéine Effets de la géométrie Effet de la protéine sur le mélange de formes VB Charges ponctuelles variables Approche proposée 1. Hamiltonien effectif E E 1 C 1 θ C 1 C 2 E θ 2 C 3 3 formes VB ajustées sur des Calculs CASSCF État adiabatique C 2 C 3 E 3 θ Calculs des Charges VB État non adiabatique ϕ 2. Dynamique moléculaire E θ 1 + E es (prot->1) C 1 C 2 E θ C C E 3 es (prot->2) E3 θ C + 2 C 3 E es (prot->3) Effet électrostatique de la protéine Diagonalisation Charges Adiabatiques de l état S1 Calcul des forces

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17 Mouvement du chromophore dans la protéine

18 Chemin d Energie minimum Amber en fonction des angles de rotation E kcal/mole τ ϕ En degré

19 Variation de la force oscillatrice de la transition S1 -> > S0 En fonction de la rotation en ϕ

20 Evolution des charges en fonction de τ Effets de base 6-31G* G* Variation de l énergie électrostatique en fonction de t

21 Evolution des charges en fonction de ϕ Variation limitée des charges en valeur absolue et de l énergie électrostatique

22 Dynamique de l él état excité du chromophore dans la protéine Etude de la rotation selon ϕ par QM + MD rotation ϕ calculs quantiques Charges partielles, constante de torsion simulations moléculaires Biais statistiques, PMF ϕ 0 90 ϕ 0 10 ϕ probabilité de désactivation de fluorescence couplage entre états probabilité P(ϕ)

23 Termes du Champ de force pour la torsion du chromophore Mouvement de torsion des 2 cycles : déformations de 4 coordonnées + Pyramidalisations des Carbones Charges ponctuelles Van der Waals Coordonnées de torsion

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25 Martin, Negri, Olivucci JACS 2004 Le système CASPT2//CASSCF/6-31G* Espace actif π partiel : 12 électrons 11 orbitales

26 Martin, Negri, Olivucci JACS 2004 Caractérisation électronique de la forme TI1 Evolution des charges Mulliken en fonction de φ sur le cycle phénolate et l imidazolinone