La méthode théorique la plus utilisée pour étudier la réactivité chimique est la recherche des points stationnaires de la surface d'énergie potentielle. Mais la taille croissante des systèmes étudiés augmente la flexibilité du système et des simulations incluant l'aspect dynamique devient alors nécessaire. Dans le présent manuscrit, nous étudions diverses problématiques chimiques. Nous avons ainsi modélisé des interrupteurs et rotors moléculaires. Nous avons testé pour ces systèmes ainsi que pour l'interaction cryptophane-petites molécules, où les interactions faibles jouent un rôle important, la validité des DFT-D. D'un point de vue de la réactivité chimique, nous avons étudié une réaction de cycloaddition catalysée par un complexe de Pt (II). Finalement nous avons déterminé les grandeurs thermodynamiques et en particulier l'entropie de réactions péricycliques : une réaction intramoléculaire Dies-Alders et la réaction de Claisen. L'ensemble de ces phénomènes a été étudié par métadynamique et/ou calculs statiques. La première étude nous a permis d'évaluer les interactions, qui sont présentes dans un interrupteur et un rotor moléculaire. Sur la base de ces interactions nous avons proposé des nouveaux substituant et fait le lien entre la nature du substituant et les propriétés observées. Puis, nous avons implémenté l'approche de Grimme pour tenir compte des interactions de type London dans le logiciel Gaussian09 pour l'atome de Pt. La dernière partie du manuscrit propose deux implémentations : l'une pour le suivi des effets entropiques en utilisant l'énergie comme variable collective dans la métadynamique, l'autre concernant la méthode du bias-exchange-métadynamique.

Malgré le mécanisme de base du transport protonique (PT) dans l'eau ait été proposé en 1806, à ce jour il n'existe pas de théorie complète qui décrive la protolyse. Ce phénomène est à la base du fonctionnement des batteries à hydrogène et de nombreux processus biologiques. Grâce à la technique de dynamique moléculaire Car-Parrinello (CPMD) et à l'aide de l'application d'un champ electrique (EF), une partie de cette thèse a été consacrée à l'étude du PT dans deux phase de la glace: la phase Ih et sa contrepartie ferroélectrique, la glace XI. Certains mécanismes ont été révélés: le rôle joué par les oxygènes lorsque se produit le PT et la contribution du (dés)ordre afin d'assister ce processus [1,2]. Le phénomène du PT est aussi à la base de nombreaux convertisseurs d'énergie constitués par le méthanol tels que le Direct Methanol Fuel Cells et les membranes Nafion. Afin de révéler la nature intime du PT dans le méthanol liquide, une série de simulations CPMD ont été menées sous l'effet d'un EF extérieur. De cette façon il a été possible de comparer le rôle joué par les liasons hydrogène afin d'assister le PT [3]. De plus, quand les intensités du champ sont plus élevées que celles qui donnent lieu au PT, certaines réactions chimiques ont été observées dans le même échantillon "numérique" du méthanol. En exploitant des paramètres typique de la "Théorie de la fonctionnelle de la densité conceptuelle", il a été possible de clarifier les conditions qui donnent lieu à ces réactions chimiques. Enfin, afin de quantifier la contribution du EF à la formation de méthane et de formaldéhyde dans le système, des simulations de métadynamique en conjonction à ceux ab initio ont été menées. / Although the basic mechanism of the proton transfer (PT) phenomenon in water has been envisaged in 1806, nowadays does not exist a detailed theoretical framework that envelop the protolysis process. This phenomenon is at the base of the operation of hydrogen batteries, as well as of many biological processes. Via the Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD) technique and by means of the application of an electric field (EF), part of this thesis has been devoted to the detailed study of PT in two ice phases: ice Ih and its ferroelectric counterpart, ice XI. Several previously unknown mechanisms have been shown. As an example, the role played by the oxygens when a PT occurs and the contribution due to (dis)order in assisting this process [1,2]. The PT phenomenon is also at the base of the functioning of some methanol-based energy converters such as Nafion membranes. To the aim of disclosing the intimate nature of PT in liquid methanol, a series of CPMD simulations have been carried out by applying an external EF; the role played by the H-bond network have been also compared with the similar PT mechanism in water [3]. At field strengths higher than those leading to PT, several chemical reactions have been observed in this sample. By exploiting the conceptual Density Functional Theory framework, it has been possible to clarify the circumstances under which a given chemical reaction occurs. Moreover, in order to disclose the role played by the EF in assisting chemical reactions, the mechanism leading to the formation of formaldehyde and methane in the sample has been studied with metadynamics approaches in conjuction with the ab initio ones.

L’appréhension des mécanismes d’action biologiques des protéines membranaires nécessite de comprendre les interactions des xénobiotiques avec ces protéines et avec les membranes lipidiques. Les méthodes expérimentales sont parfois coûteuses et ne permettent d’obtenir que des informations partielles sur les interactions xénobiotiques-membrane-protéine. La modélisation moléculaire est une sérieuse alternative. Les simulations de dynamique moléculaire et de dynamique biaisées ont ouvert de nombreuses perspectives en permettant de décrire ces interactions moléculaires à l’échelle atomique. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire, nous avons été capables de construire un modèle de transporteur humain ABC : ABCC4/MRP4. Cette protéine a été choisie pour sa présence dans le rein, notamment, et son importance clinique. Nous avons évalué l’influence du cholestérol sur cette protéine. L’étude de domaines spécifiques et l’impact d’un polymorphisme a été reliée à l’activité de transport de cette protéine. Nous avons également étudié l’interaction de xénobiotiques avec ce transporteur humain. Le cycle de transport des transporteurs ABC a été examiné afin de comprendre leur fonctionnement. L’incorporation de cholestérol a montré un impact significatif sur la protéine humaine ABCC4/MRP4 et sur les xénobiotiques étudiés. L’importance de domaines constituant la protéine ABCC4/MRP4 ainsi que l’importance de résidus individuels a clairement été prouvée. Nous avons également pu observer des intermédiaires du cycle de transport d’un transporteur ABC conjointement avec des changements structuraux. / Understanding the biological mechanisms of action of membrane proteins requires the comprehension of the interactions of xenobiotics with these proteins and with lipid membranes. Experimental methods are often demanding and only partially respond to xenobiotic-membrane-protein interactions. In silico molecular modeling is a serious alternative to tackle these issues. Molecular dynamics (MD) and biased dynamics simulations have opened many perspectives by providing an atomistic description of these intermolecular interactions. Using MD simulations, we built a model of the human ABC ABCC4/MRP4 transporter. We explored the influence of cholesterol on this protein as well as the impact of a polymorphism known to shut down the transport activity of this protein. We also studied the interaction of xenobiotics with this human transporter. The transport cycle of the ABC transporters was investigated in an attempt to better understand how it works.Interactions between lipid membranes and xenobiotics were explored by examining their ability to incorporate lipid membranes. Lipid mixtures with cholesterol showed a significant impact on the human protein ABCC4/MRP4 and on the xenobiotics studied. The importance of regions, domains constituting the ABCC4/MRP4 protein as well as the importance of specific residues has been clearly demonstrated. We also observed intermediates in the transport cycle of an ABC transporter in conjunction with structural changes occurring during this cycle.

La description des interactions protéine-ligand est d'une importance capitale pour la compréhension de phénomènes biologiques de toutes sortes, et dans le procédé de conception de nouvelles molécules bioactives. Avec l'avènement de nouveaux moyens de calculs numériques, la modélisation des équilibres d'interaction utilisant la dynamique moléculaire est de plus en plus utilisée pour l'étude au niveau microscopique permettant ainsi de guider la conception et l'optimisation de nouveaux inhibiteurs biologiques. Cette thèse est centrée sur l'utilisation de la funnel-métadynamique pour la prédiction d'affinités protéine-ligand et la description des interactions, en corrélation avec des données expérimentales de RMN et de cinétique enzymatique. Sur le modèle biologique des peroxyrédoxines humaines impliquées dans la cascade inflammatoire survenant après un choc ischémique, l'interaction et l'inhibition de composés catéchols ont été étudiées. Les données obtenues par dynamique sur l'interaction de dérivés catéchols ont été utilisées pour guider l'optimisation de cette molécule fragment pour une meilleure affinité et inhibition des peroxyrédoxines humaines. Nos résultats ont montré que la funnel-métadynamique, en plus de permettre la prédiction des affinités protéine-ligand, donnait une description réaliste de l'interaction pouvant mener à l'identification et l'optimisation de nouvelles molécules bioactives dont le potentiel inhibiteur a pu être examiné par cinétique enzymatique. Cette recherche fournit un aperçu des possibilités offertes par les nouvelles méthodes numériques, et leur application en chimie médicinale par exemple / Description of protein-ligand interactions is crucial for the understanding of all biological phenomena, and the drug design process. Thanks to new developments in computational devices, simulation of interaction equilibria using molecular dynamics are becoming state-of-the-art approach for the microscopic study of these molecular interactions. These new methods guide the conception and the optimization of new biological inhibitors. This project is focused on the use of funnel metadynamics for the prediction of protein-ligand affinities, and the description of interactions. Data obtained by metadynamics are correlated with experimental data from NMR and enzymatic assays.On the biological model of human peroxiredoxins, involved in the post ischemic inflammation cascade, interaction an inhibition of catechols derivatives have been studied. Data obtained from simulations have been used in the optimization process of the catechol fragment, to reach a better affinity and inhibition of human peroxiredoxins. Our results have shown that funnel-metadynamics allows the prediction of protein-ligand affinities, and the realistic description of the interaction, that lead to identify and optimize new bioactive molecules. Their inhibitory strengths and mechanisms have been examinated using enzymatic assays.Our research gives an overview of the possibilities brought by new numerical approaches, and their application in medicinal chemistry for example

Le but de cette thèse est de mettre en relation les propriétés structurale, dynamique et fonctionnelle de la forme humaine d’une nouvelle protéine découverte dans le cerveau des vertébrés en 2000 : la Neuroglobine. Dans un premier temps, j’ai réalisé une étude théorique dans laquelle un mécanisme à deux voies menant à la forme pentacoordinée avec cystéines oxydées a été mis en avant. A travers ce mécanisme, un conformère de la Neuroglobine au sein duquel le groupe prosthétique hème a basculé au cœur de la structure protéique a été déterminé. A partir des structures de ce mécanisme, une étude sur la diffusion de petits ligands au sein des cavités internes de la protéine à l’aide de la méthode de métadynamique a mis en évidence que la formation du pont disufure intramoléculaire favorisait la poche de ligation. De plus un certain nombre de voies de sortie pour les ligands a pu être obtenu. Pour compléter ce premier aspect de la thèse, une étude des propriétés mécaniques, communes avec les autres globines, a montré l’importance de quatre résidus centraux, dit mécaniquement sensibles, qui régulent les canaux d’accès aux différentes poches internes de la protéine, appelé phénomène de respiration. Dans un second temps, je me suis intéressé à l’interaction de la Neuroglobine avec un petit ligand via une étude expérimentale par ITC. La première conclusion importante est que la cinétique de ligation est plus importante lorsque le pont disulfure est formé. De plus j’ai observé une diminution de la cinétique lors du passage Wild Type vers C120S puis réaugmentation de la cinétique lors du passage C120S vers C46G/C55S/C120. Afin de comprendre ce phénomène, une simulation de la Neuroglobine triplement mutée a été réalisée au cours de laquelle un réseau de deux liaisons hydrogènes a été mis en avant. Ce réseau change considérablement les voies d’entrée/sortie pour les ligands. Ainsi la mutation 120 ferme une/ou plusieurs voies de sortie alors que la mutation 46 ouvre la voie naturelle des globines. Le changement observé étant important, une étude par RMN de Ngb TM et WT cystéines réduites a montré qu’il y avait une différence de structure entre ces formes pas seulement au niveau des points de mutation mais sur l’ensemble de la structure. Ces nouveaux résultats mettent ainsi en évidence le rôle important des trois cystéines chez la Neuroglobine humaine. / In this PhD work, I tried to link together the different structural, dynamic and fonctional properties of a new human protein discovered in the mamals brain in 2000: the Neuroglobin. First of all, I established a new two ways mecanism in order to get the pentacoodinated oxydized cysteins state using theoritical method. One of this mecanism’s conformer shows an important heme sliding inside of the proteic structure. Furthermore with help of metadynamic method, I studied the small ligand diffusion and migration in the internal cavity network. I showed the higher ligand affinity when the disulfide bridge is bond and we proposed an important number of exit pathways. Then we developed a method to understand the mechanical properties of the globins and we found four residues mechanically sensitive which form together a control access pathway between internal cavities, called breath phenomenon. Secondly I used ITC method in order to characterize the interaction between the Neuroglobin and a small ligand. From this experiment we highlighted that the kinetic ligation is faster when the disulfide bridge is formed. Then I noticed a relative decrease of the velocity when the mutation C120S is operated followed by a relative increase of the velocity for the triple mutation C46G/C55S/C120 compared to the Wild Type data. To understand these results, I performed a molecular simulation of the triple mutation Neuroglobin form. During this trajectory, I discovered a structure with a two hydrogen bonds network, which significantly changes the ligand entry/exit pathways. The 120 mutation closes one/several exit pathways while the 46 mutation opens the natural globin exit pathway. Because of the considerable structural change observed in the triple mutation Neuroglobin form, I decided to produce NMR results. These last points reveal a relative structure difference between the Wild Type oxidized cysteins form and the triple mutation form not only on the mutation points but also on the global structure. All these new results highlight the essential role of the three cysteins in the human Neuroglobin.

Nous avons mis en évidence les enjeux et difficulités liés à<br />l'étude théorique de la réactivité à travers des systèmes chimiques variés<br />: complexe biomimétique des phosphatases, réaction d'acétalisation/<br />cyclisation tandem, réaction de Pauson-Khand. Au cours de cette<br />dernière étude, nous avons été amené à proposer une nouvelle calibration<br />des sources électrospray.<br />Pour dépasser les limites des méthodes usuelles, nous avons utilisé<br />la métadynamique. Cette méthode permet d'échantillonner l'espace<br />des phases d'un système chimique, tout en s'affranchissant de la<br />problématique des évènements rares. Associée à une dynamique Born-<br />Oppenheimer ab initio, nous avons prouvé son efficacité pour étudier<br />les réactions organométalliques. De plus, nous avons initié une nouvelle<br />stratégie d'évaluation directe de l'entropie grâce à la métadynamique.<br />Les premiers résultats sont prometteurs, que ce soit en chimie organométallique<br />que pour la dissociation du dimère de l'eau.

L’abandon progressif des ressources fossiles s’accompagne de l’exploitation croissante de la biomasse. Cette transition nécessite de développer de nouveaux procédés notamment en catalyse hétérogène. Les chimistes se heurtent alors à deux défis majeurs : (i) désoxygéner la biomasse (cellulose/lignine) pour revenir à la chimie maîtrisée des grands intermédiaires (ii) rendre les catalyseurs résistants à l’eau, omniprésente en biomasse. En collaboration avec des expérimentateurs de l’Université d’Ottawa, nous nous sommes d’abord intéressés à la désoxygénation d’aromatiques de type lignine. Les calculs ab initio (DFT) nous ont permis de dresser les caractéristiques d’adsorption de ces composés sur Pt(111) en termes de descripteurs moléculaires simples. Nous avons ensuite étudié le mécanisme de décomposition de l’anisole et du 2-phénoxyéthanol, molécules modèles. Nos études ont montré l’importance de l’hydrogène et des fragments carbonés sur la réaction de désoxygéna6on de ces composés. En parallèle nous nous sommes intéressés à la stabilité, dans l’eau, d’un des supports catalytiques majeurs : l’alumine-γ. Ce sujet clé pose des défis considérables en modélisation, puisqu’il nécessite d’utiliser des méthodes de dynamiques moléculaires ab initio. Celles-ci nous ont permis de caractériser la structuration de l’eau au contact de l’alumine et l’importance de la solvatation sur les aluminols de surface. À l’aide de méthodes d’événements rares (dynamique contrainte, métadynamique) nous avons enfin abordé la réactivité d’alcools et de l’eau avec l’alumine hydratée. Ces simulations ont permis d’identifier les premières étapes d’hydratation et de mieux comprendre comment les limiter. / Moving away from fossil ressources is currently being accompanied by the increasing exploitation of biomass.This shift requires the development of new processes, in particular in heterogeneous catalysis. Chemists are nowfacing two major challenges: (i) deoxygenate biomass (cellulose/lignin) to produce platform intermediates with aeel-known chemistry (ii) make catalysts resistant to water, ubiquitous within the context of biomass.Within a collaboration with experimentalists at the University of Ottawa, we have first studied the deoxygenationof lignin-like aromatics. From an ab initio (DFT) inspection, we have characterized and described the adsorptionof such aromatic oxygenates on Pt(111) with simple molecular descriptors. We have then investigated thedecomposition mechanism of anisole and 2-phenoxyethanol. For these two model compounds, we have showedthe significance of hydrogen and carbonaceous species to have the deoxygenation reaction proceed properly.Meanwhile, we have examined the stability, in water, of γ-alumina, a major support in heterogeneous catalysis.The necessity to perform ab initio molecular dynamics simulations makes the modeling of such a systemparticularly challenging computationally. The simulations have nevertheless enabled us to characterize thestructuration of liquid water in contact with alumina and the significance of solvation on surface aluminol groups.Using rare-event methods (constrained dynamics, metadynamics) we have eventually been able to probe thereactivity of alcohols and water with hydrated alumina. We have then identified the first steps of hydration andgained insights on how to limit them.

Les structures cristallographiques de macromolécules comme les protéines, obtenues par la biologie structurale sont des modèles statiques. Or, c'est la flexibilité et la dynamique de ces macromolécules qui sont généralement responsables de leurs fonctions. La simulation permet d'explorer cette flexibilité lors de différents phénomènes qui ont lieu dans ces systèmes : une réaction chimique, des interactions avec une petite molécule… Simuler de tels phénomènes est un défi car la dynamique moléculaire classique ne permet pas de les observer. Des algorithmes permettent d'accélérer l'échantillonnage des dynamiques pour lever cette limitation et de calculer les barrières d'activation pour de tels phénomènes. Simultanément, le choix du niveau de calcul est crucial car il faut concilier la taille importante des systèmes, la nature des interactions et les phénomènes électroniques impliqués. Dans ce travail, différentes méthodes, dont principalement la métadynamique soit au niveau classique ou quantique, ou encore en combinant les deux niveaux quantique/classique, seront utilisées pour modéliser quatre processus complexes : des changements de conformations d'une protéine, des interactions entre métalloprotéine et inhibiteur, des réactions en solution et dans une enzyme. / Crystallographic structures of macromolecules, such as proteins, obtained by structural biology are static models. However, flexibility and dynamics of macromolecules are generally responsible for their functions. Modeling allows us to explore this flexibility in different phenomena that take place in these systems: a chemical reaction, interaction with a small molecule... Modeling such phenomena is a challenge because they cannot be observed by classical molecular dynamics. Algorithms can accelerate sampling of dynamics to simulate these events and calculate their activation barriers. Simultaneously, the choice of the level of calculation is crucial because it must merge with the size of the systems, the nature of interactions and the electronic phenomena involved.In this thesis, some methods, mainly metadynamics at classical level, quantum or the hybrid quantum/classical level, will be used to model four complex processes: conformational changes of proteins, metalloprotein/inhibitor interactions, reactivity in solution and enzymatic reactivity.

L’obtention, dans des conditions douces, sélectives et de chimie durable de molécules ciblées est aujourd’hui un enjeu majeur. Les métalloenzymesartificielles représentent une voie d’investigation importante, car en jouant, par exemple, sur la seconde sphère de coordination,il est possible de modifier fortement la réactivité de ces systèmes bio-inspirés. Le développement de cette chimie suppose une connaissanceapprofondie des différentes étapes du mécanisme de la réaction envisagée. Pour cela, la chimie théorique est essentielle à la rationalisation dela réactivité chimique mais elle souffre encore de nombreuses insuffisances pour les systèmes que nous nous proposons d’étudier.Dans ce travail, nous avons choisi d’étudier la superoxyde réductase, enzyme détoxifiante du radical superoxyde. Si de nombreuses expérimentalessont disponibles détaillant certains intermédiaires, le mécanisme précis est peu documenté. Le but a été de mettre en place uneméthodologie complète allant du développement de paramètres MM spécifiques à l’étude de la réactivité par métadynamiques QM/MM.Le développement de paramètres MM pour le site actif à fer a permis son étude en dynamique MM donnant des informations sur la conformationsdu squelette peptidique ainsi que l’interaction avec les molécules de solvant. De part la nature du fer, une description QM du site actifà été nécessaire via l’utilisation de DFT hybride. Les métadynamiques QM/MM ont permis quant à elles d’explorer les chemins réactionnelset de caractériser les espèces ainsi formées et les énergies d’activations.Cette méthodologie a permis la compréhension en premier lieu de la réactivité native de la forme sauvage et elle a aussi permis d’explorer lesréactivités nouvelles des mutations de la SOR permettant ainsi de définir le rôle crucial de la seconde sphère de coordination. / Obtaining targeted molecules under gentle, selective and sustainable conditions is still a major challenge. Artificial metalloenzymes are animportant line of enquiry, because by playing, for example, with the second sphere of coordination, it is possible to strongly modify thereactivity of these bio-inspired systems. The development of this chemistry presupposes a thorough knowledge of the different stages of themechanism of the reaction under study. For this reason, theoretical chemistry is essential to rationalize chemical reactivity, but it still suffersfrom many shortcomings for the systems we propose to study.In this work, we study the superoxide reductase, a detoxifying enzyme of the superoxide radical. While many experiments are available detailingsome intermediates, the precise mechanism is not well documented. The aim was to implement a complete methodology ranging from thedevelopment of specific MM parameters to the study of reactivity by QM/MM metadynamics.The development of MM parameters for the iron active site allowed its study by MM dynamics giving informations on the conformation ofthe peptide backbone as well as on the interaction with solvent molecules. Due to the nature of the iron, a QM description of the active sitewas required using hybrid DFT. QM/MM metadynamics have allowed us to explore reaction pathways and to characterize the compoundsformed to obtain the needed activation energies. This methodology made it possible to understand the native reactivity of the wild form ofthe SOR, but also to explore the new reactivity of the mutations of the SOR and thus to define the crucial role of the second coordination sphere.