Énergétique et spectroscopie de polypeptides par dynamique moléculaire : champ de force de seconde génération et chimie quantique

InfraRed Multiple Photon Dissociation (IRMPD) spectroscopy allows obtaining the vibrational signatures of charged species in the gas phase. The assignment of vibrational modes to establish a relationship between a spectrum and a molecular structure is however non trivial and requires extensive molecular modeling. This thesis describes a complete methodology for the calculation of vibrational spectra and its application to peptides attached to a sodium cation. We start with the efficient exploration of the complex conformational space of these systems, using replica-exchange molecular dynamics, in order to select the most likely structures. We have used the polarizable force field AMOEBA for the cation-peptide complexes, and (re)optimized parameters whenever required, in particular for improving the calculation of vibrational spectra of model compounds. Simulation of spectra for the structures selected has been performed using DFT and MP2 quantum chemical methods.This involved evaluating the performance of several density functionals, with or without a correction for dispersion interactions. We then describe the Fourier transform of the Dipole moment Auto-Correlation Function (DACF) computed along a classical molecular dynamics trajectory as a means of simulating infrared spectra including temperature and anharmonic coupling effects that are necessary for a full comparison with experiment. We discuss the relevance of the DACF/AMOEBA combination to model IRMPD spectra. This set of methods has been applied to the structure, energetics and infrared spectroscopy of poly-glycines containing two to eight residues, attached to a sodium cation. The computed spectra for the lowest energy structures allow for the assignment of experimental bands, thus establishing the structures of these complexes. Peptide folding around the sodium ion is achieved via the amide oxygens. When the ion coordination becomes saturated, peptide structuration is completed with turns.La spectroscopie de dissociation par absorption de multiples photons infrarouge ou IRMPD permet d'obtenir les signatures vibrationnelles d'espèces chargées en phase gazeuse. L'attribution des modes de vibration pour établir une relation entre spectre et structure moléculaire n'est cependant pas triviale et nécessite le recours à la modélisation moléculaire. Ce mémoire présente une méthodologie complète de calcul de spectres vibrationnels et son application à des peptides attachés à un cation sodium. Nous commençons par l'exploration efficace de l'espace conformationnel complexe de ces systèmes, en utilisant la dynamique moléculaire par échange de répliques, pour sélectionner les structures les plus probables. Nous avons utilisé le champ de force polarisable AMOEBA pour traiter les systèmes cation-peptide, et (ré)optimisé des paramètres en fonction des problèmes abordés, notamment pour améliorer le calcul de spectres vibrationnels de composés modèles. La simulation spectrale pour les structures sélectionnées a été effectuée avec des méthodes quantiques DFT et MP2, après avoir évalué les performances d'une série de fonctionnelles, incluant ou non une correction pour les interactions de dispersion. Nous présentons finalement la transformation de Fourier de la fonction d'auto-corrélation du moment dipolaire (DACF) calculée pour une trajectoire de dynamique moléculaire classique, comme moyen de simulation de spectre infrarouge incluant les effets de température et les couplages anharmoniques nécessaires à une réelle comparaison avec l'expérience. La pertinence de la combinaison DACF/AMOEBA pour reproduire les spectres IRMPD est discutée. Cet ensemble de méthodes a été appliqué à la structure, à l'énergétique et à la spectroscopie infrarouge de poly-glycines contenant de deux à huit résidus, attachées à un cation sodium. Les spectres calculés pour les structures de plus basses énergies permettent l'attribution des bandes expérimentales, et ainsi d'établir les structures de ces complexes. L'enroulement du peptide autour de l'ion sodium est réalisé via les atomes d'oxygène des groupes amides. Lorsque la coordination de l'ion est saturée, la structuration du peptide est complétée par des coudes