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1 ICSN - Institut de Chimie des Substances Naturelles

Abstract : During this PhD thesis we developped two new molecular modeling methods applied to enzymes containing flavin-type prosthetic groups.The first method, PredFace, predicts the stereochemistry of products from a reaction catalyzed by enzymes containing prosthetic groups, by automatically identifying the solvent-exposed face of the prosthetic group. The protocol involves the use of eigth complexes as -probes-, obtained by symmetry operations starting from the transition state of a hydrogen atom transfer reaction between nicotinamide and lumiflavin. These complexes are positioned in the binding site with the prosthetic group as reference and the energy of the protein-ligand interaction is evaluated by the scoring function implemented in the docking software AutoDock. The most favorable interaction energy allows the identification of the prosthetic group face that is available for the enzymatic reaction in the binding site. The PredFace method has been validated by analyzing all the structures in the Protein Data Bank containing flavin-derived prosthetic groups 2170. This method is very fast less than a minute, which allowed us to develop a web site open to the scientific community.The second method, ProsthDock, is a new mechanism-based molecular docking method guided by prosthetic groups present in the active sites of enzymes. The development of this method was motivated by the incapacity of the currently available docking methods to provide, in the presence of prosthetic groups, ligand conformations that are compatible with the enzymatic reactions. In this regard, we have added a new term to the classical scoring function, to take into account the interaction between ligand and prosthetic group. We have built a simplified model of the NADH-FMN complex and calculated the transition state of the hydrogen transfer reaction between the two partners. Potential energy surfaces have been calculated for this reaction by variating the angle, diedral angle and distance between the two reaction partners. A subsequent docking with constraints provides binding site conformations of the ligand for which the new term of the scoring function is calculated using the potential energy surfaces. This results in a new ranking of the docking poses, favoring those in agreement with the enzymatic reaction.

Résumé : Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de deux méthodes de modélisation des enzymes contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines.La première méthode, PredFace, permet de prédire la stéréochimie des produits d-une réaction catalysée par des enzymes contenant des groupes prosthétiques, en identifiant la face libre d-interaction avec les substrats. Le protocole mis en place pour cette méthode implique l-utilisation de huit complexes -sondes-, obtenus par des opérations de symétrie à partir de l-état de transition de la réaction de transfert d-un atome d-hydrogène entre le nicotinamide et la lumiflavine. Ces complexes sont positionnés dans le site actif avec le groupe prosthétique comme référence et dans chaque cas l-énergie d-interaction protéine-ligand est évaluée par la fonction de score implémentée dans le logiciel de docking utilisé AutoDock. L-énergie d-interaction la plus favorable permet d-identifier la face du groupe prosthétique accessible pour la réaction enzymatique dans le site actif. La méthode PredFace a été validée par l-analyse de l-ensemble des structures de la Protein Data Bank contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines 2170. Le protocole mis au point est très rapide moins d-une minute, ce qui nous a permis de développer un site web afin de mettre cette méthode à la disposition de la communauté.La seconde méthode, ProsthDock, est une nouvelle méthode de docking basée sur le mécanisme d-une réaction enzymatique catalysée par un groupe prosthétique et guidée par la présence de ce groupe prosthétique dans le site actif de l-enzyme. Le développement de cette méthode a été motivé par le fait que les méthodes actuelles de docking, en présence de groupes prosthétiques, se révèlent incapables de produire des poses correctes pour des substrats, en accord avec les réactions enzymatiques. Afin de remédier à ce problème nous avons ajouté à la fonction de score classique un terme supplémentaire, qui rendra compte de l-interaction du ligand avec le groupe prosthétique. Dans un premier temps, nous avons construit un modèle simplifié du complexe NADH-FMN et calculé l-état de transition de la réaction de transfert d-hydrogène entre les deux partenaires. Des surfaces d-énergie potentielle pour cette réaction ont été calculées en variant la distance, l-angle et l-angle dièdre entre les deux réactifs. Un docking sous contrainte est ensuite réalisé et en fonction du positionnement de chaque pose de docking dans le site actif le terme supplémentaire de la fonction de score est calculé à partir des surfaces d-énergie potentielle, ce qui nous permet de modifier le classement des résultats de docking en favorisant les poses qui sont en accord avec la réaction enzymatique.

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Keywords : Prosthetic group Flavin FMN FAD NAD Enzymatic reactions stereochemistry Ab initio calculations Potential energy surface Docking method

Mots-clés : Groupe prosthétique Flavine Stéréochimie des réactions enzymatiques Calculs ab initio Surface d-énergie potentielle Docking





Author: François Martz -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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