Cette thèse constitue une contribution à la modélisation à l’échelle moléculaire de la réactivité des aérosols atmosphériques. L’objectif est de mettre au point une méthodologie hybride classique/quantique permettant de traiter la réactivité hétérogène à la surface des aérosols atmosphériques attaqués par diverses espèces réactives de nature radicalaire (Cl, OH ou peroxyles RO2) ou saturée (dioxygène, ozone). Tout d’abord, l’approche quantique de la réactivité entre le chlore et les molécules d’acide carboxyliques (acide valérique) ou acides gras (acide palmitique) a été validée en phase gaz. Les résultats ont permis, d’une part, de mettre en évidence la spontanéité de l’abstraction des atomes d’hydrogène de l’acide par le chlore et d’autre part l’augmentation de la constante de vitesse de réaction lorsque la chaîne de la molécule d’acide s’allonge. Dans la deuxième partie dédiée à la simulation d’un aérosol modèle, nous avons, à partir de la dynamique moléculaire classique, construit un agrégat d’acide palmitique et analysé ses propriétés structurales et énergétiques. Ensuite, en ajoutant des molécules d’eau, on constate que celles-ci forment des îlots à la surface de l’agrégat. Enfin, nous avons étudié la réactivité hétérogène à la surface de l’aérosol en découpant le système en deux régions traitées de manière différenciée (approche dite "QM/MM", " Quantum Mechanics/Molecular Mechanics"). Nous avons identifié un échantillon d’atomes hydrogène à la surface de l’agrégat pouvant être capté par le Chlore et calculé pour chacun d’eux la constante de réaction. Nous avons finalement pu déterminer pour la première fois une valeur théorique du coefficient de capture (" uptake") réactif, qui peut être comparée aux résultats expérimentaux. / This thesis contributes to the molecular level understanding of atmospheric aerosol chemistry. The objective is to set up an hybrid classical/quantum methodology to treat the heterogeneous chemical mechanisms occurring at the surface of model aerosols attacked by various reactive species, either radicals (Cl, OH or RO2 peroxyl) or saturated (oxygen, ozone). Firstly, the quantum approach used to treat the reactivity between chlorine and a carboxylic acid molecule (valeric acid) or fatty acid (palmitic acid) has been validated in the gas phase. These calculations made it possible, on the one hand, to highlight the spontaneity of the abstraction of the hydrogen atoms of the acid by the chlorine radical and, on the other hand, the increase of the reaction rate constant as the chain of the acid molecule gets longer. In the second part dedicated to the simulation of a model submicrometer aerosol, we have built an aggregate of palmitic acid using classical molecular dynamics and analysed its structural and energetic properties. Then, addition of water molecules leads to the formation of water islands at the surface of the aggregate. Finally, we studied the heterogeneous reactivity at the surface of the aerosol by dividing the system into two regions treated differently (QM/MM approach, Quantum Mechanics/Molecular Mechanics). We have identified a sample of hydrogen atoms at the surface of the aggregate that can be captured by chlorine and calculated for each of them the reaction rate constant within the QM/MM scheme. We have finally been able to determine for the first time a theoretical value of the reactive uptake coefficient, which can be in principle compared to experimental data.

Le facteur de motilité autocrine (AMF) est une cytokine sécrétée par les cellules tumorales qui a été détectée dans le sérum et l'urine de patients cancéreux. Cette enzyme stimule la motilité des cellules cancéreuses in vitro et provoque des métastases in vivo. Elle peut être utilisée comme un biomarqueur métastasique.Dans cette étude, un biocapteur électrochimique sensible et spécifique a été conçu pour la détection et la quantification d'une enzyme modèle de l’AMF humain : la PGI de mammifère. Le biocapteur a été construit par liaison de 6-phosphate-D-fructose (F6P) sur une surface d'or d’électrode fonctionnalisée covalemment par des groupements oxyamine.La reconnaissance entre l’enzyme et le biorécepteur a été quantifiée par spectroscopie d'impédance électrochimique et voltammétrie dans une gamme de 10 fM à 100 nM. La limite de détection mesurée est de 6,6 fM. La sélectivité a été prouvée, ainsi que la reproductibilité. Notre biocapteur est une preuve de concept très prometteuse d'un futur dispositif analytique miniaturisé conçu pour la détection rapide, facile et précis de l'AMF. Il pourrait en outre contribuer à valider l'AMF en tant que nouveau biomarqueur du cancer métastatique.Afin d’étudier les interactions mises en jeu dans la reconnaissance entre l’enzyme et le biorécepteur, des études de mécanique moléculaire polarisable via le champ de forces SIBFA ont été réalisées. SIBFA est un champ de forces de seconde génération basé sur les résultats des décompositions ab-initio de l’énergie d’interaction et inclut donc la polarisation mais aussi l’énergie de transfert de charge.Pour cette étude nous avons mis en place deux modèles d’AMF pour SIBFA, une forme entière et une forme réduite, et nous avons construit un mime du biocapteur pour SIBFA. Pour cela, il a fallu concevoir et calibrer chaque fragment nécessaire à l’élaboration du mime. Ensuite différentes minimisations d’énergie ont été réalisées, en prenant en compte ou non la solvatation, puis des études sur les interactions mises en jeu ont été effectuées. / Autocrine motility factor (AMF) is a cytokine secreted by tumor cells that could be detected in the serum and the urine of cancer patients. This enzyme stimulates tumor cells motility in vitro and causes metastasis in vivo. It can be used as a biomarker of metastasis.In this study, a sensitive and specific electrochemical biosensor was designed for the detection and quantitation of a model of the human enzyme AMF: the mammalian PGI. The biosensor was constructed by covalently binding D-fructose 6-phosphate (F6P) on the oxyamine functionalized surface of a gold electrode.Recognition between the enzyme and the bioreceptor was quantified by electrochemical impedance spectroscopy and voltammetry in the range of 10 fM to 100 nM. The measured detection limit was 6.6 fM. Selectivity and reproducibility were also proven. Our biosensor is a promising proof of concept for the design of a future miniaturized analytical device for fast, easy and accurate detection of AMF. It could also help validate the AMF as a new biomarker of metastatic cancer.To study the interactions involved in the recognition process between the enzyme and the bioreceptor, we performed polarizable molecular mechanic studies using the force field SIBFA. SIBFA is a second-generation force field based on the results of ab- initio decomposition energy of interaction and therefore includes not only the polarization but also the charge transfer energy.For this study we have developed two models of AMF for SIBFA, an entire form and a reduced form, and we built a mime of the biosensor for SIBFA. For this, it was necessary to design and calibrate each fragment essential for the development of the mime. Then, different energy minimizations were carried out, some of which taking into account solvation parameters. Studies of interactions between the mime and the AMF model are being carried out.

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

- Notre objectif est de pouvoir définir une méthodologie théorique qui permet de simuler les spectres de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) en prenant en compte les effets de la température, afin de proposer une aide à l’interprétation des résultats expérimentaux plus pertinente.- Pour traiter la description des effets de la température sur les paramètres de RMN, nous avons étudiés les azacalixarènes, qui sont des oligomères cycliques d’unités phénol reliées entre elles par des ponts azotés. Ces molécules ont une forme de calice d’où leur nom de azacalixarènes. Par cette cavité ces molécules peuvent capter différents types de composés et sont utilisées dans le domaine de la chimie hôte-invité.- Une grande variété de substituants peut être fixée sur ces azacalixarènes. Expérimentalement on peut suivre facilement les effets des variations de structures au niveau des propriétés physico-chimiques par la RMN.- C’est pourquoi, dans un premier temps, nous nous avons étudié la description géométrique des azacalixarènes en fonction de différents substituants et de différentes isoméries à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, donc sans prise en compte de la température. - Enfin, nous avons simulé les paramètres de RMN de ces systèmes en utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité. Ceci pour calculer le spectre RMN des azacalixarènes à l’état fondamental.- Enfin, en effectuant des simulations de dynamique moléculaire, en utilisant la Mécanique Moléculaire, nous avons pu prendre en compte les effets de la température. Nous avons pu simuler les paramètres de RMN de ces systèmes en prenant désormais en compte les effets de la température. / - Our objective is to define a theoretical methodology, which allows to simulate the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectra taking into account the temperature effects, in order to propose a help to the interpretation of the more relevant experimental results.- To deal with the description of the temperature effects on the NMR parameters, we have studied azacalixarenes, which are cyclic oligomers of phenol units linked together by nitrogen bridges. These molecules have a calyx shape, hence their name azacalixarenes. By this cavity these molecules can capture different types of compounds and are used in the host-guest chemistry field.- A wide variety of substituents can be attached to these azacalixarenes. Experimentally, one can easily follow the structure variations effects, at the level of physicochemical properties by NMR.- For this reason, we first investigated the geometric description of azacalixarenes as a function of different substituents and different isomers using the Density Functional Theory, so without taking into account the temperature. - Then, we simulated the NMR parameters of these systems using the Density Functional Theory. This is to calculate the azacalixarenes NMR spectrum in the ground state.- FInally, by performing molecular dynamics simulations using Molecular Mechanics, we were able to take into account the temperature effects. We were able to simulate the NMR parameters of these systems taking now into account the effects of temperature.

Il existe, aujourd'hui, de nombreuses et efficaces méthodes de caractérisation structurale tridimensionnelle de composés biologiques en phase condensée (RMN, diffraction des rayons X ou dichroïsme circulaire). Depuis une dizaine d'années, ce champ d'études s'est étendu à la phase gazeuse. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et concerne le rôle structurant de Na+ sur les acides aminés Gly et Pro et sur des oligo-peptides de Gly et Ala, en combinant approches théoriques et expérimentales de spectroscopie infrarouge d'ions gazeux par dissociation multiphotonique (IRMPD) couplée à la spectrométrie de masse. Les spectres IRMPD expérimentaux des complexes sodiés d'acide aminé, nous ont permis d'identifier la présence exclusive de la forme zwitterionique dans le cas de Pro-Na+ et la présence de la forme non-zwitterionique dans le cas de Gly-Na+, conformément aux résultats de chimie quantique. Ainsi nous avons fourni la première démonstration directe de la présence d'un zwitterion d'acide aminé en phase gazeuse. Il s'agissait des premiers spectres infrarouge d'ions biologiques en phase gazeuse. L'étude théorique des complexes Glyn-Na+ et Alan-Na+ a montré que, pour n<=5, les conformères de plus basse énergie maximisent l'interaction électrostatique du métal avec les n groupements carbonyles, avec ou sans l'amine terminale. Ce comportement a été confirmé d'une part, par des expériences de spectroscopie IRMPD pour n=2,3 et d'autre part, par la détermination des énergies de liaison de ces complexes par la méthode cinétique de Cooks (n=2-4). Pour l'étude théorique de Glyn-Na+, 5<=n<=10, nous avons couplé des recherches conformationnelles Monte-Carlo basées sur des calculs de champ de forces AMBER, à des optimisations par calculs de type ri-BLYP utilisant l'approximation "résolution de l'identité". Cette approche a permis d'explorer en détail des sur! faces de potentiel très complexes. On peut distinguer deux classes limites de conformères, celle où le peptide est globulaire et celle où il adopte une conformation en hélice alpha ou 310. Nous avons montré que les structures les plus basses en énergie présentent le plus souvent une complexation tétradentate avec une forte auto-solvatation. Ces structures sont toutes globulaires pour n<10. Dans le cas de Gly10-Na+, le conformère le plus bas en énergie a une structure globulaire autour du sodium et un domaine de cinq résidus en hélice 310.

Le présent travail est réalisé en vue de la conception et le contrôle des mouvements de nanomachines induits par un courant en régime tunnel et en vue de la rationalisation et de la compréhension d'expériences de manipulation de nano-objets moléculaires et de leurs propriétés d'auto-assemblage et de nanostructuration contrôlée de surfaces métalliques. Dans les 2 premiers chapitres sont exposées les techniques et méthodes de la Chimie quantique, de la Mécanique Moléculaire et de Transfert d'Electron que nous utilisons dans le présent travail. Les 4 autres chapitres sont consacrés à l'étude des propriétés d'adsorption et d'assemblage de molécules, spécialement conçues, d'intérêt pour la nanoélectronique et la nanomachinerie. En effet, dans le chapitre 3, il est question d'adsorption de la molécule DAT (1,4-bis(4-(2,4-diaminotriazine)phenyl)-2,3,5,6-tetrakis(4-tert-butyl-phenyl)benzene) sur les surfaces Cu(110) et Au(111) dans les conditions de très basse température sous un vide ultra-poussé (LT-UHV : Low Temperature Ultra High Vacuum). L'adsorption et l'auto-assemblage du DAT en 1D et en 2D sur la surface sont gouvernés par un processus complexe dont nous révélons les détails. En suite, dans le chapitre 4, nous avons calculé les images STM, par la technique Electron Scattering Quantum Chemistry (ESQC), de la molécule DAT sur les surfaces Cu(110) et Au(111), pour confirmer et expliquer les structures optimisées par la mécanique moléculaire à partir d'une comparaison entre les morphologies des images STM à résolution atomique et ESQC. Les chapitres 5 et 6 sont respectivement consacrés à l'étude des propriétés d'adsorption et d'auto-assemblage de la molécule di-carboxylique-imide (DCI) et d'une molécule dérivée PTCDI (pérylène-3,4,9,10-tétracarboxylique di-imide) sur la surface Au(111), nous avons trouvé que le Lander DCI s'adsorbe sur le site ponté suivant la direction [11-2] de la surface Au(111).

La protéase du VIH-1 est une cible de choix dans le traitement du SIDA, car l’inhibition de son activité protéolytique contrecarre la réplication virale. Dans ce contexte, une approche de conception de novo d’inhibiteurs non peptidiques de cet enzyme, réalisée au sein de notre laboratoire, avait permis d’épingler une famille originale de complexes métallo-organiques au cuivre (II). Au cours de cette thèse, nous avons entrepris la caractérisation physico-chimique et structurale de ces composés afin d’élucider leur mode d’interaction avec la protéase, en nous appuyant sur diverses techniques expérimentales (DRX, RPE, ESI-MS) et théoriques(mécanique moléculaire, SIBFA). En particulier, nous avons montré que la stabilité thermodynamique de ces complexes en solution était indispensable à toute activité biologique. L’adaptation de la méthode SIBFA aux complexes au cuivre (II) nous a permis d’étudier les phénomènes énergétiques intervenant dans leur stabilité. Enfin, nous avons réuni les critères structuraux responsables de l’activité anti-protéolytique de ces complexes au sein d’un modèle pharmacophorique optimalisé./HIV-1 protease is a main target for the AIDS treatment, because its inhibition blocks the viral replication. De novo drug design, previously conducted in our laboratory, had pointed out several copper (II) chelates as a new family of non peptidic protease inhibitors. In order to provide a better understanding of their structure-activity relationships, we performed the physico-chemical characterization of these compounds using experimental (XRD, EPR, ESIMS)and theoretical (molecular mechanics, SIBFA method) techniques. We demonstrated that the thermodynamic stability of the complexes is an essential property to provide inhibitory activity. The SIBFA procedure adapted to copper (II) complexes helped us to study the energetics involved in the stability process. From our results, we derived a pharmacophore model describing the structural properties needed to achieve a good inhibition of the enzyme.

Les méthodes de prédiction structurale constituent une alternative relativement efficace aux approches expérimentales pour donner un premier aperçu du repliement natif d'une protéine. L'écart entre le nombre de structures et de séquences protéiques disponibles dans les bases de données ne cesse en effet de croître depuis l'arrivée des technologies de séquençage à haut débit. Cette forte croissance des informations génomiques a remis à l'ordre du jour des techniques modélisant les données capturées au cours de l'évolution. La conservation d'une fonction protéique impose de fortes contraintes sur les contacts impliqués dans le repliement et la fonction se traduisant par une trajectoire évolutive commune. Une fois détectées, ces interactions peuvent aider à modéliser la conformation d'une protéine. Les méthodes résolvant la structure tridimensionnelle des protéines à partir des données évolutives présentent encore plusieurs limitations notamment pour la détection des contacts faux positifs. Ces problèmes restent similaires à ceux rencontrés en détermination de structure par spectrométrie de Résonnance Magnétique Nucléaire où l'intégration des données est un processus clairement établit et en grande partie automatisé. Le logiciel ARIA (Ambiguous Restraints for Iterative Assignment) utilise le concept de contraintes de distances ambiguës et suit un processus itératif afin d'attribuer et d'affiner la liste des noyaux proches dans l'espace pour calculer un ensemble de modèles structuraux en accord avec les données. Ce travail a pour objectif d'adapter cette approche pour prédire de novo la structure d'une protéine en utilisant l'information évolutive. / Structural prediction methods provide a relatively effective alternative to experimental approaches to provide a first insight into native folding of a protein. The gap between the number of structures and protein sequences available in databases has steadily increased since the advent of high throughput sequencing technologies. This strong growth of genomic information helped bring to light prediction tools using coevolutionary data. Conservation of a specific function implies strong restraints on interacting residues involved in the folding and function. Once detected, these interactions can help to model the conformation of a protein. Some important aspects needs to be improved during the modelling process including the detection of false positive among the predicted contacts. Limitations in the field are similar to those encountered in nuclear magnetic resonance spectrometry structure determination where data integration is a clearly established and largely automated process. The Ambiguous Restraints for Iterative Assignment (ARIA) software uses the concept of ambiguous distance restraints and follows an iterative process to assign and refine the list of nearby nuclei in space to compute a set of structural models in accordance with the data. This work aims to adapt this approach to de novo predict the structure of a protein using evolutionary information.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les protéines-G hétérotrimériques, constituées des sous-unités α, β et γ, sont les premières actrices de la transduction du signal en interagissant directement avec les Récepteurs Couplés aux protéines-G (RCPG). Les protéines-G ont la capacité de lier soit une molécule de GDP lorsqu'elles sont inactives, soit une molécule de GTP quand elles sont activées par un RCPG. Cet échange de nucléotide va conduire à la dissociation de l'hétérotrimère avec d'une part la sous-unité α seule, et d'autre part le complexe βγ. Chacune de ces entités va ensuite propager le signal dans le compartiment intracellulaire. Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour but de mieux comprendre la dynamique des protéines-G hétérotrimériques et de leurs récepteurs par des techniques de mécanique moléculaire incluant la Dynamique Moléculaire (DM) et l'Analyse de Modes Normaux (AMN). Dans un premier temps une AMN nous a permis de décrire les possibles mouvements de larges amplitudes des protéine-G. Nous avons à l'occasion de cette étude mis au point une méthode de sélection de Modes Normaux (MN) pertinents que nous avons appelés modes représentatifs. Nous avons également développé une méthode d'extraction de ligand (ici le GDP) le long de ces MN. Ceci nous a permis de montrer qu'un mouvement concerté de toute la sous-unité α pouvait permettre l'ouverture de la poche et la sortie du GDP. Dans un deuxième temps, nous avons affiné nos résultats en reconstruisant des profils d'énergie libre le long de plusieurs chemins de sortie possibles pour le GDP. Ainsi nous avons pu proposer un mécanisme fin de sortie du ligand et plusieurs résidus clés impliqués dans cette sortie. Nous avons également étudié le processus de dissociation de l'hétérotrimère par la technique de la Dynamique Moléculaire Dirigée. Il a été possible, à l'issue de cette étude, de proposer un mécanisme à l'échelle moléculaire de la séparation des sous-unités α et βγ. Pour finir, nous avons également étudié le macro-complexe RCPG : protéine-G. Deux études traitent des mécanismes d'activation et de couplage des protéines-G à son récepteur. Nous avons notamment montré que l'hétérotrimère de protéine-G contraint très fortement les mouvements du récepteur. Un mouvement très largement retrouvé dans le complexe ainsi que dans plusieurs autres RCPGs dont les structures sont connues a été proposé comme étant le mouvement d'activation des RCPG une fois complexés à leurs protéines partenaires. / Heterotrimeric G-proteins, constituted of α, β and γ subunits are the first actresses of the intra-cellular signal transduction and interact directly with G-protein Coupled Receptors (GPCR). The heterotrimer is able to bind either a GDP molecule (inactive state) or a GTP molecule (active state). The nucleotide exchange is triggered by the interaction with an activated GPCR and leads to the dissociation of the whole heterotrimer into two independant entities : α and tightly bound βγ subunits. Both subunits further propagate the signal into the intracellular compartment. Goals of the present work were to better understand the mechanics of G-proteins and GPCR by combining several molecular mechanics techniques such as Molecular Dynamics (MD) and Normal Mode Analysis (NMA).Firstly, we described large amplitude motions of the whole G-protein heterotrimer. In this study we developped a method to select relevant Normal Modes (NM), we called representative NM. We also developped a method which consists to extract a ligand (in our case the GDP) out of its binding pocket along computed NM. With these two new methods, we showed that a concerted motion of the α subunit would promote the opening of the pocket and the release of the GDP.Secondly, to refine our results, we performed free energy profiles reconstructions along several putative exit pathways of the GDP. Thus, we proposed for the first time a fine-tuned mechanism of GDP exit at the molecular scale and putative key-residues. We proposed also a molecular scale mechanism for the dissociation of the heterotrimeric G-protein through the use of the Targeted Molecular Dynamics (TMD). Finally we were interested in the study of the GPCR:G-protein complex. We performed two studies related to the activation and to the coupling of the macro-complex. We showed that G-protein constrain drastically the GPCR motions. One over-represented motion in the complex that was also retrieved in other crystallized structures of several different GPCRs thus suggested that this motion could be the putative activation motion of a GPCR when complexed to its favorite protein partners.