Micelles inverses d'AOT et de C12E4: Structure et évaluation de leurs compressibilités par simulation de dynamique moléculaire. (AOT and C12E4 reverse micelles: Structures and compressibility evaluated by Molecular Dynamics Simulations Studies)

Les micelles inverses (MI) sont des nano-gouttelettes d'eau, thermodynamiquement stables, dispersees dans une phase organique (generalement une huile), entourees d'une monocouche de tensioactif. Elles sont des modeles membranaires simplifies, utilisees en biochimie pour solubiliser des proteines enzymes membranaires, peu ou pas solubles. Le fait que la dimension des micelles inverses depend du rapport molaire Wo=[H2O]/[detergent] et que le contenu en eau dans des micelles inverses peut etre finement controle, ce sont des modeles interessants pour etudier les effets de l'hydratation et du confinement sur la conformation des peptides, proteines et des acidesnucleiques. Dans ce travail de these, nous avons etudie a l'aide des techniques de simulation de dynamique moleculaire (DM), les proprietes structurales et volumetriques (volume et compressibilite) de petites micelles inverses (i.e. avec des rapports 2 ≤ Wo ≤ 7) constituees d'un detergent ionique, le bis(2-ethylexyl sulfosuccinate) de sodium (AOT) et d'un non-ionique, le tetraethylene glycol monododecylether (C12E4), en fonction de leur hydratation. Ces systemes micellaires ont ete simules explicitement dans les conditions ambiantes de temperature et de pression avec des concentrations en solvant organique suffisantes pour reproduire les phases micellaires inverses. 1. Influence de l'hydratation sur les proprietes structurales et volumetriques des micelles inverses d'AOT. Dans un premier temps, nous avons etudie l'influence de la quantite d'eau solubilisee sur les proprietes structurales et dynamiques de l'eau confinee dans les micelles inverses d'AOT. Nous avons montre que : • Les micelles inverses construites avec une geometrie spherique, ont toutes evoluees au cours des simulations vers une forme ellipsoidale avec des rapports, entre l'axe majeur et mineur de l'ellipsoide, plus eleves pour le coeur d'eau que pour la micelle (1.24 - 1.41 et 1.67 - 2.1, respectivement). Nos simulations reproduisent la dependance lineaire de Rw en fonction de Wo donnee dans la litterature pour ce systeme ternaire, si on modelise les micelles comme des objets spheriques. Dans les micelles inverses les plus petites, la diffusion de translation de l'eau est fortement ralentie par la forte densite en ions et par le nombre de molecules d'eau liees aux tetes polaires, mais tend a se rapprocher de l'eau pure avec l'augmentation de Wo. • Quand aux proprietes volumetriques des micelles inverses et de l'AOT, nos calculs montrent que les compressibilites isothermes (comprises entre (70 et 78 (± 6). 10-5 MPa-1 et 74 et 85 (± 4). 10-5, respectivement) des micelles inverses modelisees, interpretes a l'aide du milieu effectif, augmentent de facon lineaire avec le rapport Wo, en accord avec les donnees de la litterature experimentale. Dans le cas du volume de l'eau confinee nous avons calcule que celui-ci change peu (4 % de difference), par rapport a l'eau pure, et reste constant avec Wo. La compressibilite de l'eau confinee varie en fonction de Wo entre 24 et 60.10-5 MPa-1. 2. Influence de l'hydratation sur la structure octapeptide d'une alanine encapsulee dans les micelles inverses d'AOT. Dans un second temps, nous avons examine l'influence de l'hydratation des tetes polaires des molecules d'AOT sur la stabilisation de la structure secondaire d'un peptide modele (un octapeptide alanine en helice-a), confine dans des micelles d'AOT de rapport Wo » 4.8 et 6.8. Ce peptide est instable dans l'eau. Nous avons montre que : • L'insertion des peptides dans les micelles affecte la structure des micelles inverses et notamment celle du coeur d'eau. Dans la micelle la plus petite, ou l'eau est majoritairement liee aux tetes polaires et donc peu disponible pour hydrater le peptide, la structure secondaire en helice-a de l'octapeptide est conservee, alors quelle est plus ou moins rapidement perdue dans les micelles plus hydratees. • Dans le cas des proprietes volumetriques (volumes et compressibilites isothermiques), celles-ci changent peu avec l'insertion des octapeptides dans les deux micelles et restent voisines des valeurs obtenues pour les micelles vides. 3. Influence de la conformation des tetes polaires des detergents sur la structure des micelles inverses de C12E4 avec un rapport Wo=3 Enfin, dans un troisieme temps, nous avons etudie l'effet de l'hydratation faible sur la structure et les proprietes volumetriques des micelles inverses de C12E4 dans un rapport Wo=3 avec deux conformations possibles pour les tetes polaires des detergents (i.e. etendue vs. gauche). Ces deux micelles inverses ont ete simulees dans le decane. Nous avons montre que : • Seules les proprietes structurales des coeurs d'eau des micelles sont significativement affectees par les conformations donnees aux tetes polaires des detergents. Lorsque que les tetes polaires sont gauches, l'eau confinee est peu liee aux tetes polaires et reste au centre de la micelle pour former un pool d'eau compact avec une structure proche de celle de l'eau pure. Avec les tetes polaires en conformation etendue, le piegeage des molecules d'eau au niveau des tetes des C12E4 est favorise, ce qui a pour consequence une diminution de leur diffusion de translation. • Quand aux compressibilites isothermes des micelles inverses, celles-ci ne sont pas significativement modifiees en fonction de la conformation des tetes polaires des detergents et sont proches de 54 et 57 (± 5). 10-5 MPa-1. Le volume des molecules d'eau confinees dans les deux micelles ne montrent pas de variations que leur etat soit liee ou libre et sont proches du volume de l'eau pure. Cependant, on constate que les compressibilites isothermes de l'eau confinee presentent des differences en fonction de leur etat l'eau liee presente une compressibilite isothermique environ deux fois plus faible (25 (± 2). 10-5 MPa-1) que celle de l'eau pure, et sa compressibilite augmente avec la fraction d'eau libre dans les micelles. Finalement, la confrontation de nos resultats avec ceux de la litterature nous a permis de proposer un modele de structure pour les micelles inverses de C12E4 de rapport Wo< 3.ety.