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ABEL STÉPHANE

Micelles Inverses d’AOT : Structure, compressibilité et influence de l’hydratation sur un octapeptide alanine confiné. ABEL STÉPHANE. Plan de la présentation . Introduction Rappels sur les tensioactifs et les micelles inverses d’AOT Le modèle sphérique. Limites du modèle sphérique.

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Presentation Transcript

  1. Micelles Inverses d’AOT : Structure, compressibilité et influence de l’hydratation sur un octapeptide alanine confiné ABEL STÉPHANE

  2. Plan de la présentation • Introduction • Rappels sur les tensioactifs et les micelles inverses d’AOT • Le modèle sphérique. • Limites du modèle sphérique. • Précédents modèles de micelle inverse • Approches implicites et explicites: avantages et inconvénients. I. Structure des micelles inverses d’AOT en fonction du rapport Wo=[eau]/[tensioactif] • Forme et dimension. • Structure interne. • Hydratation des molécules d’AOT. II. Structure des micelles inverses d’AOT avec un peptide alanine confiné • Forme et dimension III. Compressibilités des micelles inverses en fonction de Wo IV. Stabilité d’un octapeptide alanine confiné en fonction de l’hydratation • Conclusions et perspectives

  3. INTRODUCTION : LES TENSIOACTIFS ET LES MICELLES INVERSES d’AOT 3

  4. Les tensioactifs dans l’huile Un tensioactif INTRODUCTION: LES TENSIOACTIFS DANS L’HUILE Queue hydrophobe (lc) Tête polaire (h) Les micelles inverses

  5. Vs La molécule d ’AOT INTRODUCTION: L’AOT DANS UN MÉLANGE D’EAU ET D’HUILE L’AOT est conique qui favorise la formation des micelles inverses Ah Co=Vs/Ahlc > 3 lc Les micelles inverses d’AOT Wo = [H2O]/[AOT] lc dH Rw

  6. Rayon expérimental Rw de la micelle inverse en fonction de Wo INTRODUCTION: LE MODÈLE SPHÉRIQUE POUR DÉCRIRE LES MICELLES 6

  7. INTRODUCTION: LE MODÈLE SPHÉRIQUE POUR DÉCRIRE LES MICELLES Hypothèse d’une micelle inverse sphérique ? Pour des valeurs de Wo< 15, les micelles inverses sont elles sphériques ?

  8. INTRODUCTION: OBJECTIFS DE L’ÉTUDE Objectifs de l’étude • Caractériser la structure des micelles inverses avec un rapport Wo < 15 dans une phase L2 expérimentale. • Quatre tailles de micelles inverses simulées avec Wo=2, 3, 5 et 7. • Examiner en fonction du rapport Wo, les variations: • De forme des micelles et de leur cœur d’eau • De dimension de la région polaire • De leur structure interne • L’hydratation des molécules d’AOT Dans le but de proposer un modèle pour les micelles inverses d’AOT peu hydratées dans l’isooctane. 8

  9. INTRODUCTION: PRÉCÉDENTS MODÈLES DE MICELLESINVERSES En deux diapos Précédents modèles de micelles inverses d’AOT (I) • Traitement simplifié des interactions avec l’environnement polaire (i.e. l’intérieure de la micelle) et avec la phase huileuse simulée implicitement. Approche implicite Modèle de micelle inverse d’AOT (Wo=7.5) (Faeder et Ladanyi, 2003) Permet de simuler des micelles inverses de grandes tailles, mais se révèle trop simple pour représenter un environnement micellaire réel. 9

  10. toluène H2O AOT RM AOT (Wo=10) dans 275 mol. de toluène (t=250 ps) (Alaimo et Kumosinski, 1997) RM « coarse-grains » AOT Wo=2-5 dans 990 mol. d’hexane (t=2 ns) (Brodskya et Mudzhikova, 2006) En deux diapos Précédents modèles de micelles inverses d’AOT (II) • Traitement plus ou moins explicite des interactions pour les différents composants du système micellaire (i.e. détergents, eau, solvant) Approche explicite INTRODUCTION: PRÉCÉDENTS MODÈLES DE MICELLESINVERSES

  11. I. Structures des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo

  12. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Les simulations de dynamique moléculaire • Paramètres des simulations moléculaires (MD): • Champs de force pour l’AOT, l’isooctane dérivés de CHARMM (Bandyopadhyay, S. Indian Institute of Technology, Kharagpur) • Modèle d’eau : TIP3 • T=300 K et P=0.1 MPa • t =12 fs (r-RESPA) • Les micelles inverses sont simulées dans une concentration en isooctane similaire à une phase L2 expérimentale (soit > 80 % du volume total de la boite de simulation). • Micelles inverses avec Wo=3 construites avec deux protocoles différents: • préformée (p). • selon un processus de « micellisation » dans le vide (m). • Conditions périodiques de bords • Electrostatique: Ewald/PME • Code de MD ORAC 12

  13. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Un exemple de changement de structure des micelles inverses Configuration finale (t=3 ns) de la micelle inverse avec un rapport Wo=5. Rotation selon l’axe Y et la micelle coupée selon un plan vertical. 13

  14. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO c a b Forme des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo (I) • La forme des micelles et des cœurs d’eau est donnée par l’excentricitée: a >b > c Wo=3p 14

  15. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Forme des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo (II) 15

  16. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Dimension de la zone aqueuse des micelles en fonction de Wo • La dimension de la zone aqueuse est calculée avec le rayon de giration. • Pour un ellipsoïde: • RgSAXS : Rayon de giration calculé à partir des spectres simulés de SAXS (Guinier) 16

  17. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Dimension des cœurs d’eau des micelles en fonction de Wo 17

  18. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Wo=5 Structures internes des micelles inverses d'AOT en fonction de Wo • Profils de densité a(r) par rapport au centre de masse (r=0 Å) des micelles 18

  19. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Hydratation des molécules d'AOT en fonction de Wo • Calculées à partir des fonctions radiales de paires (r) m p p: préformée m: micellisation 19

  20. I. STRUCTURES DES MICELLES INVERSES D’AOT EN FONCTION DE WO Conclusion partielle • Micelles inverses ont des formes anisotropes avec des excentricités e  0.6 et 0.8 pour les micelles entières et les cœurs d’eau qui changent peu avec Wo. Ces résultats semblent corroborer certains résultats expérimentaux (Arleth et Pedersen, 2001) obtenus par SANS avec variation de contraste. • Les dimensions de la zone aqueuse varient entre 11 Å et 16 Å et sont proches des valeurs de SAXS expérimentales (Yano et al, 2000). • Les rayons des cœurs d’eau Rw varient linéairement avec Wo, la pente (1.4) est similaire à celle de la littérature expérimentale (1.5). • La structure interne des micelles présente un environnement assez hétérogène où la pénétration de molécules d’AOT est possible. • Avec l’augmentation de Wo, on constate l’hydratation plus efficace des groupes sulfonate et des contre-ions par rapport aux autres sites de la molécule d’AOT. 20

  21. II. MICELLES INVERSES D’AOT AVEC UN PEPTIDE CONFINÉ

  22. dN-C12.5 Å Cas (a) Cas (b) 90° Les simulations de dynamique moléculaire • Deux tailles de micelles inverses simulées avec un rapport Wo4.8 et Wo 6.8 avec un peptide alanine en hélice- canonique zwittérionique: II. MICELLES INVERSES D’AOT ET PEPTIDES CONFINÉS • Avec deux orientations du peptide dans le cœur d’eau Pour Wo4.8 c24 Å a32 Å 22

  23. Forme des micelles inverses avec le peptide confiné (I) II. MICELLES INVERSES D’AOT ET PEPTIDES CONFINÉS Wo=4.8a e Pour la micelle avec Wo=4.8 e Wo=4.8b 23

  24. Forme des micelles inverses avec le peptide confiné (II) II. MICELLES INVERSES D’AOT ET PEPTIDES CONFINÉS • Variation de la forme des micelles inverses avec le peptide confiné 6.8b 3m b 4.8b 6.8a 6.8b 3p 4.8b a 6.8a 4.8a 3m 4.8a 3p p: préformée m: micellisation 24

  25. Dimension de la zone aqueuse avec le peptide confiné II. MICELLES INVERSES D’AOT ET PEPTIDES CONFINÉS 25

  26. Conclusion partielle II. MICELLES INVERSES D’AOT ET PEPTIDES CONFINÉS • Les deux orientations données aux peptides affectent significativement la forme des micelles « pleines » plus anisotropes que les micelles « vides ». • Leur cœur d’eau est plus ellipsoïdal que la micelle entière • Le rayon de giration de la zone aqueuse des micelles contenant le peptide augmente de façon sensible par rapport aux micelles vides, en raison du changement de structure du cœur d’eau. 26

  27. III. COMPRESSIBILITÉS DES MICELLES INVERSES EN FONCTION DE WO

  28. La compressibilité β III. COMPRESSIBILITÉS DES MICELLES INVERSES ENFONCTION DE WO • La compressibilité adiabatiquesd’une micelle inverse est donnée par l’équation de Laplace: Mesurée expérimentalement Où c est la vitesse de l’onde ultrasonore et , la densité de la solution • Les volumes des solutions ne convergeant pas, nous avons déterminé la compressibilité isothermeT des micelles inverses simulées avec le rapport Wo: Où  Coefficient d’expansion thermique, Cp la capacité calorifique à T cte. VT, , kb et T : Volume de total de la boîte de simulation, volume du composé i, la constante de Boltzmann et T la température absolue, respectivement. 28

  29. La compressibilité de la micelle inverse en fonction de Wo III. COMPRESSIBILITÉS DES MICELLES INVERSES ENFONCTION DE WO • La compressibilité d’une micelle βmic= βAOTAOT+ βNa+Na+ + βH2OH2O (+ βpeppep) 29

  30. IV. STABILITE D’UN PEPTIDE ALANINE CONFINÉ DANS LES MICELLES 30

  31. IV. STABILITE D’UN PEPTIDE ALANINE CONFINÉ DANS LES MICELLES Stabilité des hélices- des octapeptides • Deux propriétés structurales pour étudier la stabilité de l’hélice: • La déviation quadratique moyenne des carbones- (rmsdC) par rapport à l’hélice- initiale. • La stabilité des liaisons hydrogènes intrapeptidiques (IHB) • Une hélice- canonique a 4 (IHB) de type CO(i)→NH(i+4): (1) CO(1) → NH(5) (2) CO(2) → NH(6) (3) CO(3) → NH(7) (4) CO(4) → NH(8) Config. finale du peptide dans l’eau pure 31

  32. IV. STABILITE D’UN PEPTIDE ALANINE CONFINÉ DANS LES MICELLES Stabilité du peptide dans la micelle (I) • Dans la micelle inverse RM64+A8 (Wo4.8) (1) CO(1) → NH(5) (2) CO(2) → NH(6) (3) CO(3) → NH(7) (4) CO(4) → NH(8) (a) (b) 32

  33. (a) (b) 33 IV. STABILITE D’UN PEPTIDE ALANINE CONFINÉ DANS LES MICELLES Stabilité du peptide dans la micelle (II) • Dans la micelle inverse RM82+A8 (Wo6.8) (1) CO(1) → NH(5) (2) CO(2) → NH(6) (3) CO(3) → NH(7) (4) CO(4) → NH(8)

  34. # CO(i)→NH(i+4) IV. STABILITE D’UN PEPTIDE ALANINE CONFINÉ DANS LES MICELLES Influence des têtes d'AOT sur la stabilité de l'octapeptide • Avec deux systèmes « hybrides » basés sur la micelle avec Wo4.8 AOT sans tête SO3- T=3.0 ns T=240 fs AOTh AOT Temps [ns] Gouttelette d’eau T=2.5ns # CO(i)→NH(i+4) 0 0 1.0 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 3 3 0.5 0.5 Temps [ns] 34

  35. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

  36. Conclusions (I) CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES • Propriétés structurales des micelles inverses d’AOT avec Wo • Les micelles simulées sont anisotropes avec des excentricités plus élevées pour les cœurs d’eau (0.8) que pour les micelles (0.6). • Avec Wo, l’hydratation des groupes sulfonates de l’AOT et des ions Na+ augmentent et ce sont les principaux sites hydratés de la micelle inverse. • Les compressibilités isothermes des micelles inverses mic varient linéairement avec Wo de façon similaire à la compressibilité (adiabatique) mesurée expérimentalement. 36

  37. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusions (II) • Structures des micelles inverses d’AOT avec un peptide alanine confiné: • L’insertion du peptide modifie de façon significative la forme et change peu la dimension des cœurs d’eau micellaires par rapport aux micelles inverses « vides » de taille similaire. • La compétition d’hydratation entre les têtes polaires et de sites polaires du peptide joue un rôle prépondérant dans la stabilité du peptide confiné. • Avec l’introduction du peptide, la compressibilité isotherme des micelles ne change pas significativement. 37

  38. Perspectives CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES • Sur la structure des micelles inverses: • Etudier l’influence des conditions initiales sur la structure des micelles et d’autres paramètres de simulation (le champ de force, le modèle d’eau, la concentration ou le type de solvant etc.) • Simuler les spectres de diffusion (SAXS, SANS) et comparer avec les données expérimentales. • Simuler des micelles inverses de grande taille (avec R=40 Å) et comparer avec les experiences de cryofracture. • Calculer la compressibilité adiabatique des micelles inverses • Sur les peptides et protéines confinés dans les micelles inverses: • Etudier l’effet de l’insertion de polypeptides ou de (petites) protéines en fonction de leur charge de surface sur la structure des micelles en fonction du rapport Wo. • Evaluer les changements de structure des polypeptides ou protéines confinés avec le type de détergent ionique (AOT) ou non ionique (C12E4) par rapport leurs structures dans l’eau. 38

  39. Remerciements • Chanda S. et Bandyopadhyay S. pour m’avoir permis d’utiliser leur champ de force de l’AOT en primeur • Gino Marchetti pour son aide pour le calcul des rayons a partir des spectres de SAXS simulés. • Fabio Sterpone pour son aide durant les premiers mois de la thèse. • Alain Coron pour des programmes en PERL très utiles. • Last but not least, mes deux gurus (Massimo et Wladimir) qui m’ont supporté durant tout ce temps. 39 39

  40. Merci pour votre attention !!!

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