Modélisation de spectres quasiélastiques de neutrons provenant de protéines en solution - Université de Tours
Thèse Année : 2023

Modeling quasielastic neutron scattering spectra from proteins in solution

Modélisation de spectres quasiélastiques de neutrons provenant de protéines en solution

Abir Nesrine Hassani
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1484775
  • IdRef : 28233842X

Résumé

Proteins are complex molecular systems whose internal dynamics is characterized by a vast spectrum of time scales, ranging from sub-picoseconds for vibrations of chemical bonds to seconds and beyond for large conformational rearrangements. Using a “minimalistic” multi-time scale model for the relaxation dynamics of proteins, we show here that even small changes due to external stress, such as temperature, solvent modification or ligand binding, can be elucidated by quasi-elastic neutron scattering (QENS). The relaxation is here described by a stretched Mittag-Leffler function, which exhibits slow power law decay for long times. An important technical point is the estimation of the elastic incoherent structure factor (EISF) on the basis of its measured counterpart and the model parameters of the relaxation function, which are the q-dependent form parameter α and the time scale parameter τ. Our first study concerns the intrinsically disordered protein Myelin Basic Protein (MBP) in solution, which is studied in pure D₂O-buffer and in a mixture of D₂O-buffer with 30% deuterated Trifluoroethanol at different temperatures, in order to evaluate the impact of formation of secondary structure elements on the internal dynamics. In particular, this analysis showed that EISF is close to zero, indicating very large position fluctuations, which are compatible with the high internal flexibility of this protein. To confirm this result, a second study was carried out to develop a fitting procedure in which this quantity is eliminated as a fitting parameter. The results confirm vanishing EISF for this protein. To show that this model does not systematically lead to vanishing EISFs for proteins in solution, we have analyzed QENS data from Myoglobin, and the result shows that the EISF is clearly non-zero for this globular protein. The third study is devoted to understanding the functional dynamics of the enzyme Phosphoglycerate kinase. Here the model allows for determining unambiguously the amplitude of the inter-domain fluctuations which are important for its catalytic function.
Les protéines sont des systèmes moléculaires complexes dont la dynamique interne est caractérisée par un vaste spectre d'échelles de temps, allant de la picoseconde pour les vibrations des liaisons chimiques à la seconde et au-delà pour les grands changements de conformation. En utilisant un modèle ”minimaliste" multi-échelles pour la dynamique de relaxation des protéines, nous montrons ici que même de petits changements dus à des contraintes externes, telles que la température, la modification du solvant ou la liaison d'un ligand, peuvent être élucidés par la diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS). La relaxation est ici décrite par une fonction de Mittag-Leffler étirée, qui présente une décroissance lente en loi de puissance pour les temps longs. Un point technique important est l'estimation du facteur de structure incohérente élastique (EISF) sur la base de sa contrepartie mesurée et des paramètres du modèle de la fonction de relaxation, qui sont le paramètre de forme α et le paramètre d'échelle de temps τ. La première étude concerne la protéine intrinsèquement désordonnée Myelin Basic Protein (MBP) en solution, qui est étudiée dans un solvant D₂O pur et dans un mélange de D₂O avec 30% de trifluoroéthanol deutéré à différentes températures, afin d'évaluer l'impact de la formation d'éléments de structure secondaire sur la dynamique interne. Cette analyse a notamment montré que EISF est proche de zéro, ce qui indique des fluctuations de position très importantes, compatibles avec la grande flexibilité interne de cette protéine. Pour confirmer ce résultat une deuxième étude a été réalisée afin de mettre au point une procédure d'ajustement dans laquelle cette quantité est éliminée en tant que paramètre d'ajustement. Les résultats confirment la disparition de l'EISF pour cette protéine. Pour montrer que ce modèle ne conduit pas généralement à la disparition de l'EISF pour les protéines en solution, une analyse de données QENS de la myoglobine a été réalisée, et le résultat montre que l'EISF est clairement non nul pour cette protéine globulaire. La troisième étude est consacrée à la compréhension de la dynamique fonctionnelle de l'enzyme Phosphoglycérate kinase. Ici, le modèle permet de déterminer sans ambiguïté l'amplitude des fluctuations inter-domaines qui sont importantes pour sa fonction catalytique.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04868034 , version 1

Citer

Abir Nesrine Hassani. Modélisation de spectres quasiélastiques de neutrons provenant de protéines en solution. Biophysique [physics.bio-ph]. Université d'Orléans, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ORLE1101⟩. ⟨tel-04868034⟩
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