Ultra high resolution crystallography of small molecules and proteins

par Maqsood Ahmed

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Claude Lecomte et de Christian Jelsch.

Soutenue le 30-05-2012

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires , en partenariat avec CRM2 - Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisation - UMR 7036 (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Guionneau.

Le jury était composé de Claude Millot.

Les rapporteurs étaient Nour-Eddine Ghermani, Smail Triki.

  • Titre traduit

    Cristallographie des petites molécules et des protéines à très haute résolution


  • Résumé

    La cristallographie des rayons-X à ultra-haute résolution permet d'analyser la distribution de charge des molécules et d'étudier les interactions intermoléculaires avec précision. Des études structurales de plusieurs composés à base de thiophène ont été menées à bien, et le phénomène de désordre a été discuté. Des analyses expérimentales et théoriques de la densité de charge de deux molécules importantes ont été réalisées en utilisant le modèle d'atome multipolaire. Un nouveau modèle d'atomes virtuels est également testé : il permet le calcul rapide des propriétés électrostatiques. La liaison hydrogène avec l'oxygène comme accepteur est étudiée par l'analyse extensive de plus de 500.000 structures cristallines. Les résultats de stéréochimie sont comparés avec la densité électronique des atomes d'oxygène dans différents environnement chimiques, ce qui permet de montrer la dépendance directionnelle des liaisons hydrogène et des formes et orientations des paires d'électrons libres. Finalement, il est montré qu'en l'absence de données de diffraction des rayons X à haute résolution, le principe de transférabilité des paramètres de la densité électronique peut être exploité pour étudier les propriétés électrostatiques et les interactions intermoléculaires. Ce principe a été utilisé avec succès sur une petite molécule à base de thiophène et sur la protéine FAD-dépendante Cholestérol oxydase


  • Résumé

    Ultra high resolution X-ray crystallography allows for analyzing the charge distribution in the molecules and provides methods to study the intermolecular interactions at a deeper level. Structural studies of several thiophene based compounds have been carried out and the phenomenon of disorder has been discussed. Experimental and theoretical charge density analysis of two important molecules was performed using a multipolar atom model. A new virtual atom model is also tested which allows for a rapid calculation of the electrostatic properties. The hydrogen bonding with oxygen atom acceptor is studied through an extensive survey of more than 500,000 crystal structures. The stereo chemical results are compared with the electron density of the oxygen atoms in different chemical environments which give conclusive evidences for the dependence of directionality of hydrogen bonds on the shape and orientation of the electrons lone pairs. Finally, it has been shown that how in the absence of high resolution X-rays data, principle of transferability of electron density parameters between molecules can be used to study the electrostatic properties and the intermolecular interactions. This principle has been successfully applied to a small thiophene based molecule and the large FAD binding protein Cholesterol oxidase


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