How important is water in the preorganization of polyammonium host molecules ?

Institut Le Bel, Université Louis Pasteur, UA 422 du CNRS, 4, rue Blaise-Pascal, 67000 Strasbourg, France.

Abstract

We present Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations on polyammonium compounds in order to assess the importance of water in the preorganization upon molecular recognition of macrocyclic poly-electrolytes in solution. The Monte Carlo simulations coupled to free energy calculations lead to a quantitative estimate of the rotational barrier around the C-C bond of H₃N⁺-CH₂-CH₂-NH₃⁺ in water, thus with the gas phase rotational barrier to the potential of mean force or free energy variation upon conformational interconversion. The Molecular Dynamics simulations of macrocycles build from several -NH₂⁺-CH₂-CH₂-NH₂⁺- and -NH₂⁺-CH₂-CH₂-O- units permit us to picture the importance of water microstructures on flexible receptors for various anions (Cl^-, ATP^4-, ADP3^-...). Both calculations lead to the result that water stabilizes conformations a priori unstable in gas phase. Microstructures of water or the gross effect of hydration permit the existence of gauche forms of -NH₂⁺-CH₂-CH₂-NH₂⁺- units, and thus stabilize converging positively charged binding sites. The convergence of repulsive sites is necessary in order to properly bind the various anionic substrates.

Résumé

Nous présentons des simulations de Monte Carlo et de Dynamique Moléculaire sur des composés polyammonium afin d’analyser l’importance de l’eau pour la préorganisation de macrocycles poly-chargés en solution. Les simulations de Monte Carlo couplées à des calculs d’enthalpie libre permettent une estimation quantitative de la barrière de rotation autour de la liaison C-C de H₃N⁺-CH₂-CH₂-NH₃⁺ dans l’eau, et conjointement avec la barrière de rotation dans le vide, au potentiel de force moyenne (variation d’enthalpie libre) pour l’interconversion conformationnelle. Les simulations de dynamique moléculaire de macrocycles construits à partir de fragments -NH₂⁺-CH₂-CH₂-NH₂⁺- et -NH₂⁺-CH₂-CH₂-O- permettent d’illustrer l’importance de microstructures de l’eau sur des récepteurs d’anions (Cl^-, ATP^4-, ADP^3-...). Les deux types de simulations conduisent à démontrer que l’eau stabilise des conformations a priori instables en solution aqueuse. L’effet moyen de l’hydratation et des microstructures de l’eau permettent l’existence de formes gauche de fragments -NH₂⁺-CH₂-CH₂-NH₂⁺- et ainsi stabilisent des sites de coordination convergents et positivement chargés. La convergence de sites répulsifs est nécessaire à la coordination anionique.