Simulations des interfaces minéral-macromolécule par dynamique moléculaire : Structure de l'eau

Pour aborder les problemes concernant l'environnement de notre biosphere et plus specialement l'interaction monde-mineral monde-vivant , nous avons entrepris une modelisation par la dynamique moleculaire de systemes mineraux-proteines. Il s'agira de confronter les donnees de la modelisation et de la simulation aux resultats experimentaux obtenus par les equipes de physicochimistes. Les structures argileuses (les autres mineraux, oxydes etc., egalement), comme les structures biologiques, du fait de leur complexite, necessitent des methodes d'investigation adaptees. La complexite est apportee par l'etude au niveau atomique, necessitant des calculs avec un grand nombre d'atomes (et par consequent un grand nombre de degres de liberte). En general, le milieu environnant le systeme (solvant, ions) intervient en compliquant encore un peu plus le probleme. Concernant l'argile (Montmorillonite), l'assemblage de deux couches tetraedrales enserrant une couche octaedrale forme une surface de clivage tournee vers l'exterieur. Cette surface de clivage est equilibree par une couche cationique d'ions potassium. La speciation des ions ferreux et ferriques a ete etudiee. Les ions ferreux ont migre vers la couche tetraedrique de surface decrivant les cavites siloxane, alors que les ions ferriques se sont dissouts dans la boite a eau. La dynamique moleculaire de cet assemblage de 7909 atomes a ete menee avec une parametrisation des atomes du systeme issu de notre calcul de charge (calcul ab initio) du solide considere comme semi-ionique. Le resultat est net, pour les ions ferriques ayant migre dans le solvant; leur structure de coordination de solvatation est de type octaedrique, comme pour l'ion ferrique de reference. En ce qui concerne les ions ferreux formant des clusters avec les cavites siloxane et les ions K+, la difference d'hydratation entre les deux complexes formes est apportee par la sphere de solvatation de chacun des ions ferreux. Le role de l'eau a l'interface argile-especes ioniques est manifestement majeur. Une etude de la structure de l'eau a l'interface de l'hydroxyapatite en presence d'ions zinc a montre une plus grande densite et une forte polarisation de l'eau conduisant a une structure tetraedrique etiree. Cote interaction enzyme-argile on assiste a un echange de l'eau de solvatation des ions K + de la surface de clivage par les residus basiques de l'alpha-chymotrypsine, preparant un echange entre l'ion K + et un residu basique. En particulier, la proproteine: le trypsinogene, qui a une seule chaine polypeptidique continue, se clive en trois polypeptides au cours de son activation en alpha-chymotrypsine. La structure de l'ensemble de l'enzyme est gardee par cinq ponts disulfures, ce qui lui donne une plasticite structurale et fonctionnelle plus importante que le trypsinogene. On montre que la topologie de la cavite catalytique passe d'une structure verrouillee dans le trypsinogene a une structure ouverte dans l'alpha-chymotrypsine, au cours du mecanisme d'activation de l'enzyme.