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Simulations de dynamique directe pour étudier la
dissociation induite par collisions des biomolécule
Riccardo Spezia, Yannick Jeanvoine, Jean-Yves Salpin, Marie-Pierre Gaigeot,
Pablo Martin-Gago, Antoni Riera, Kihyung Song, Daniel Ortiz
To cite this version:
Riccardo Spezia, Yannick Jeanvoine, Jean-Yves Salpin, Marie-Pierre Gaigeot, Pablo Martin-Gago, et al.. Simulations de dynamique directe pour étudier la dissociation induite par collisions des biomolécule. SMAP 2011 (spectrométrie de masse et analyse protéomique), Sep 2011, Avignon, France. pp.208, 2011. �hal-00760096�
Références
Conclusion
Introduction
Résultats : étude d’un peptide modèle protoné
1.
UMR 8587, Laboratoire Analyse et Modélisation pour la Biologie et l’Environnement, Université d’Evry val d’Essonne.
2.
Institute for Research in Biomedicine, Barcelone, Espagne.
3. Korea National University of Education
Riccardo Spezia
1, Yannick Jeanvoine
1, Jean-Yves Salpin
1, Marie-Pierre Gaigeot
1, Pablo Martin-Gago
2, Antoni Riera
2, Kihyung Song
3, Daniel Ortiz
1Simulations de dynamique directe pour étudier la dissociation
induite par collision des biomolécules
La spectrométrie de masse en tandem (MS/MS) est devenue un outil d’analyse incontournable. Outre son intérêt sur le plan purement analytique (caractérisation et quantification des composés), cette technique permet également d’aborder l’étude de la réactivité en phase gazeuse d’espèces ionisées allant de quelques atomes à des systèmes complexes (biopolymères, polymères de synthèse, agrégats organiques et inorganiques). La modélisation moléculaire est un outil indispensable pour l’interprétation au niveau moléculaire de ces processus. Ainsi, les méthodes de la chimie quantique sont couramment utilisées pour étudier la thermochimie associée à cette réactivité. Cepedant, il apparaît indispensable, pour une meilleure interprétation des résultats expérimentaux, de considérer aussi l’aspect dynamique. Dans ce but, nous avons utilisé une approche de dynamique « directe » qui traite de façon explicite la collision entre l’ion et le projectile de gaz rare au cours de laquelle une certaine quantité d'énergie est transférée à l’ion, conduisant ainsi à sa fragmentation. [1,2] Grâce aux études de dynamique directe de la fragmentation, il est possible d’avoir accès à différents détails au niveau microscopique sur les ions soumis au processus CID, tels que la structure des fragments obtenus, la section efficace du CID, les mécanismes de fragmentation ou encore la différence de réactivité des isomères.
Méthodologie
Dynamique moléculaire
Expériences
Expériences réalisées sur un spectromètre de masse hybride de type QSTAR Pulsar i (Q-q-TOF) (Applied Biosystems/MDS Sciex).
Expériences MS/MS: gaz de collision: N2 (pression minimale), régime multicollisionnel énergie de collision variable (de 7 à 13 eV, laboratoire)
Etude d’un ensemble de trajectoires pour lesquelles l’ion (conformation déterminée à l’étape précédente) et un atome de gaz inerte (Ar) entrent en collision avec une certaine énergie cinétique relative. L’ensemble des orientations relatives lors de la collision est échantillonnée.
Nécessité de plusieurs centaines à plusieurs milliers de trajectoires.
Approche QM/MM: interaction ion/projectile étudiée par un potentiel analytique, alors que l’ion est traité de façon quantique (calculs semi-empiriques pour les petits peptides)
Systèmes étudiés: complexes métaux/biomolécules; peptides modèles protonés
Spectre MS/MS expérimental
Analyse conformationnelle
Analyse conformationnelle des systèmes étudiés, préalable à la dynamique moléculaire.
Différents sites de protonation envisagés (CO, NH, NH2).
Cy 0 H1 +68 H2 + 32
H3 +78 H4 +23
Conformations les plus stables ré-optimisées au niveau B3LYP/6-311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311G(d).
Dynamique moléculaire
Paramètre d’impact bmax=2.5 ; T=300K ; Ecm= 8,67 eV
Nb r tra j. 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 m/z 130Energies relatives en kJ/mol
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Spectres de masse simulés
Cy 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 m/z 130 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 H1 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 m/z 130 H2 0 200 400 600 800 1000 H3 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 m/z 130 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 m/z, amu 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 In tensi ty , coun ts 100,044 72,051 89,073 44,050 117,078 61,080 (M+H)+ -NH3 -CO - [H3,C2,O2,N] 13 eV Lab 72 x50 100 89 46 44 72 -2 CO 72 44 46 100 117 117 117 117 [HCONHCH(CH3)CONH2]H+ 72 44 46 72 44 46 89 74 0 1000 2000 3000 4000 5000 H4 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 m/z 130 x50 100 89 46 44 72 117 74 72 44 46 74Les spectres MS/MS obtenus par dynamique moléculaire reproduisent de façon satisfaisante le spectre expérimental, et soulignent que la structure la plus stable n’est pas nécessairement la plus réactive. Certaines voies de dissociation ne sont cependant pas observées expérimentalement.
L’approche adoptée pour nos dynamiques moléculaires permet de reproduire les spectres MS/MS expérimentaux. Nos résultats ont mis en évidence que la structure la plus stable déduite des calculs quantiques n’est pas nécessairement la plus réactive. Nos résultats suggèrent également que les approches cinétiques basées sur la limite statistique de la réaction unimoléculaire (RRKM par exemple) peuvent ne pas être correctes pour décrire les fragmentations par MS/MS.
(i) le mécanisme dit “shattering”, par lequel les ions fragments sont obtenus juste après une période vibrationnelle du "stretching" de la liaison qui va se casser,
(ii) un mécanisme de “transfert d’énergie”, qui n’est pas un redistribution intramoléculaire vibrationnelle (RVI) complète, qui donne les ions fragments après plus d’une période de vibration. Les simulations mettent en évidence deux types de mécanisme de fragmentation:
Les surfaces de potentiels associées aux différentes fragmentations sont également explorées. Celles-ci mettent en évidence que les ions fragments observés expérimentalement et correspondant aux processus de plus haute énergie, sont obtenus grâce au mécanisme de shattering.[1] R. Spezia, J.-Y. Salpin, M.-P. Gaigeot, W.L. Hase and K. Song. Protonated Urea Collision-Induced Dissociation. Comparison of Experiments and Chemical Dynamics Simulations. J. Phys. Chem. A 113, 13853–13862, 2009. [2] R. Spezia, A. Cimas, M.-P. Gaigeot, J.-Y. Salpin, K.Song and W.L. Hase . Collision Induced Dissociation of
Doubly-charge Ions : Coulomb Explosion vs Neutral Loss in [Ca(urea)]2+ Gas Phase Unimolecular Reactivity via
Chemical Dynamics Simulations.En préparation.
Plusieurs mécanismes sont possibles pour une voie de dissociation donnée.
-NH3
- CO
Ces structures constituent le point de départ des simulations de dynamique moléculaire.
- [H3,C,O,N]Exemple de processus observés lors des trajectoires sur Cy:
H C O NH HC C CH3 O NH2 H Cy H2 H1 transfert H+ H C O NH HC C CH3 O NH2 H H C O NH HC C CH3 O NH3 H C O NH CH CH3 m/z 72 -CO -NH3
38% des collisions réactives
31% des collisions réactives
transfert H+ 8% des collisions réactives -HCONHCHCH3
C O N H H m/z 44 2% des collisions réactives -NH3 H C O NH HC C CH3 O m/z 100 O H2 N C CH3 C H transfert H+2 % des collisions réactives
H2N C CH3 H m/z 44 Structure % de traj. réactives Cy 2 % H1 43 % H2 16 % H3 62 % H4 5 % -CO C O NH2 H - [H3,C,O,N] - [H3,C,O,N] - [H3,C2,O2,N] - [H4,C3,O,N] 0 5000 1 104 1.5 10 4 2 104 Spectre global 117 72 44 46 74 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 m/z 130 89 100 x5
