Theoretical study of some amino acids solvation mechanisms using a coarse grain model
Etude théorique de la solvatation d'acides aminés avec un modèle minimaliste
Résumé
The hydrophobic effect is one of the major forces that govern protein folding. We study the hydrophobic effect thermodynamical origins towards the transfer into solution of apolar amino acids and of polar amino acids.Their solvation mechanisms are compared with respect to the temperature. The amino acids and the solvent are represented by a coarse grain model in two dimensions. Monte Carlo simulations in the isothermal isobaric ensemble are performed to compute the thermodynamics of transfer of the amino acids and of homologue compounds of their side chains. There is a good qualitative agreement between the experimental data of the solvation free energy of the side chains and their computed values with the model using thermodynamic integration.The study of thermodynamics of transfer gives insight into the importance of the enthalpic and the entropic contributions to the solvation free energy. Two dimensional distribution maps of water molecules are computed around a polar amino acid, the glutamine, and around an apolar amino acid, the isoleucine, with respect to their hydrogen bonds numbers. These maps show the solvent structure in the vicinity of the solutes. The major transfer thermodynamics differences can be explained by the different impacts of the solutes on the solvent structure.
L'effet hydrophobe est reconnu comme l'un des principaux phénomènes qui guident une protéine lors de son repliement vers sa conformation native en milieu aqueux. Nous nous intéressons aux origines thermodynamiques de l'effet hydrophobe au travers d'une étude théorique comparative des transferts en solution d'acides aminés hydrophobes et d'acides aminés hydrophiles en fonction de la température. Les acides aminés et le solvant sont représentés par un modèle gros grain en deux dimensions. Les valeurs moyennes des grandeurs thermodynamiques associées au transfert en solution des acides aminés et de composés homologues de leur chaîne latérale sont calculées au cours de simulations de type Monte Carlo dans l'ensemble isotherme isobare. On observe un bon accord qualitatif entre les valeurs expérimentales des enthalpies libres d'hydratation des chaînes latérales et les valeurs calculées avec le modèle par intégration thermodynamique. L'étude des différentes contributions thermodynamiques permet de mettre à jour l'importance relative et l'évolution avec la température des effets enthalpiques et entropiques sur les enthalpies libres de transfert. La distribution des molécules d'eau dans l'environnement d'un acide aminé hydrophobe, l'isoleucine, et d'un acide aminé hydrophile, la glutamine, est étudiée en calculant des cartes en deux dimensions en fonction de leur nombre de liaisons hydrogène. Ces cartes permettent en grande partie d'expliquer les différences observées dans la thermodynamique du transfert en solution de l'isoleucine et de la glutamine par les spécificités de leur influence sur la structure du solvant dans leur environnement.
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