La déamidation est la modification post-traductionnelle de l'asparagine (Asn) et de la glutamine (Glu). Elle est communèment observée dans les peptides et les protéines. Il a été démontré que la déamidation limite la durée de vie de ces macromolécules. Dans ce travail, la déamidation de l'asparagine dans des petits peptides et dans l'enzyme triosephosphate isomérase a été modélisée. La déamidation dans la triosephosphate isomérase de mammifères a été observée sur deux sites distincts: Asn15 et Asn71. Asn71 a une vitesse de déamidation plus élevée que Asn15 et moins grande que pour un petit peptide. Il a été suggéré que la déamidation de Asn15 se produit sous l'influence de la déamidation de Asn71. Pour expliquer ces résultats expérimentaux, des simulations de dynamiques moléculaires classiques à l'échelle de la microseconde et des calculs d'énergie libre, de type umbrella sampling, à l'aide de méthodes combinées mécanique quantique/mécanique moléculaire ont été réalisés. Nous montrons que la déamidation séquentielle dans la triosephosphate isomérase est due à la fois à des effets locaux et globaux. Ces résultats apporte une nouvelle perspective sur l'impact de l'ordre structurel sur la vitesse de déamidation Nous avons également déterminé la voie la plus plausible de cette reaction ainsi que l'influence de la variation du pKa, dans la chaîne principale, de la partie amide du résidu adjacent de l'asparagine sur la vitesse de déamidation. En regard de l'importance des variations de pKa dans l'environnement protéique, nous avons élaboré un protocole informatique permettant d'évaluer de manière rapide et précise des pKa . Ce protocole a été appliqué à des petites molécules organiques et nous avons montré qu'il était également applicable à des études relatives à la prédiction de pKa dans les protéines / Deamidation is the posttranslational modification of asparagine (Asn) and glutamine (Glu) residues, which is observed in several proteins and peptides. It has been shown that deamidation limits the lifetime of these macromolecules. In this work, deamidation of asparagine in small peptides and in the enzyme triosephosphate isomerase has been modeled. Deamidation in mammalian triosephosphate isomerase has been observed at two distinct deamidation sites: Asn15 and Asn71. Asn71 deamidates faster than Asn15 and slower than a small peptide. It has been suggested that, deamidation at Asn15 occurs with the influence of deamidated Asn71. In order to explain these experimental findings, microsecond long classical molecular dynamics simulations and free energy calculations using quantum mechanics/molecular mechanics tools combined with umbrella sampling technique have been performed. The sequential deamidation in triosephosphate isomerase has been shown to be related with both global and local effects. These results bring a new perspective to the impact of the high-order structure on deamidation rate. The most plausible route of this reaction was also determined. The pKa shift of backbone amide of the residue adjacent to asparagine has been found to be one of the most crucial factor determining the rate of deamidation. Considering the importance of pKa shifts in protein environment, a computational protocol was suggested in order to obtain accurate and fast pKa predictions. This protocol was applied to small organic molecules, and it has been shown to be applicable to studies concerning aminoacid pKa predictions

La résistance aux antibiotiques est une menace sérieuse pour la santé publique. En effet, si on ne change pas rapidement notre consommation excessive d'antibiotiques, la situation actuelle va se dégrader jusqu'à basculer dans une ère dite "post-antibiotique", dans laquelle plus aucun antibiotique ne sera efficace contre les infections microbiennes. Bien que ce phénomène de résistance apparaît naturellement, l'utilisation abusive d'antibiotiques accélère le processus. De plus, la présence de pathogènes multi-résistants neutralise l'effet des traitements existants et dans le cas de chirurgies courantes (césariennes, transplantations d'organe...), la situation peut rapidement s'aggraver voire devenir mortelle. C'est pourquoi des directives, émanant des autorités sanitaires, doivent être mises en place afin de contrôler l'utilisation des médicaments, et ce, à tous les niveaux de la société, des individus au secteur agricole en passant par les professionnels de santé et les industries pharmaceutiques. Le monde de la recherche scientifique, quant à elle, doit trouver des nouvelles stratégies pour enrayer la propagation de la résistance. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif le développement d'une méthode de prédiction, par calculs d'énergie libre, des mutations de β-lactamases favorables à l'hydrolyse des β-lactames. Ces travaux méthodologiques ont donc conduit au développement : (1) de nouveaux paramètres pour les enzymes à zinc, implémentés dans le champ de force OPLS-AA et validés par des simulations de dynamique moléculaire sur un panel de métalloenzymes représentatives, (2) d'un protocole de paramétrisation de ligands covalents pour étudier le comportement de certains β-lactames dans CMY-136, une nouvelle β-lactamase caractérisée au laboratoire, et (3) d'un protocole de calcul d'énergie libre évalué au moyen de compétitions internationales de prédiction. Ce dernier a ensuite été utilisé pour tenter d'expliquer pourquoi la carbamylation de la sérine catalytique n'a pas lieu dans certaines oxacillinases. Au travers de ces travaux, nous avons pu améliorer significativement notre approche computationnelle et désormais tout est en place pour une exploration exhaustive des mutations possibles dans les β-lactamases. / Antibiotic resistance is a global concern threatening worldwide health. Indeed, if we don't change our overconsumption of antibiotics, the current situation could worsen until a "post-antibiotic" era in which existing treatment would be ineffective against microbial infections. Despite the natural occurrence of antibiotic resistance, the misuse of antibiotics is speeding up the process. Furthermore, presence of multi-resistant pathogens negates the effect of modern treatments and usual surgeries (caesarean sections, organ transplantations...) might be riskier in the future, or even lethal. That's why, common guidelines have to be edicted by health authorities in order to control antibiotic use at every level of society, from individuals to healthcare industry including health professionals and agriculture sector. As for scientific research, new strategies have to be considered in order to limit the spread of antibiotic resistance. In that context, the presented thesis aimed at developing a protocol to predict, by free energy calculations, β-lactamase mutations which could promote the hydolysis of β-lactams antibiotics. In order to achieve that, we developed several methodological approaches including: (1) new parameters for zinc enzymes implemented in OPLS-AA force field and thereafter validated using molecular dynamics simulations of representative zinc-containing metalloenzymes, (2) a protocol to parameterize covalent ligands in order to analyze the dynamical behavior of some β-lactams in CMY-136, a novel β-lactamase recently characterized in our laboratory, and (3) a pmx-based free energy protocol. The latter was also assessed through several international blinded prediction challenges, and finally used to find out why carbamylation of the catalytic serine is not observed in certain OXA enzymes. Throughout this work, we made significant improvements in our protocol, and now everything is in place for an exhaustive prediction of possible mutations in β-lactamases.