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In this Ph.D dissertation, we have used constant pressure and temperature molecular dynamics simulations to study the structural and volumetric (Voronoi volume and isothermal compressibility) changes of the surfactant AOT and C12E4 reverse micelles (RM) as a function of hydration. The two systems were simulated in the apolar solvents isooctane and decane respectively. The concentrations of the two ternary systems were selected to fall within a L2 phase ranges. A key parameter of RM is the water-to-surfactant molar ratio Wo which determines their water content as well as the micellar size. In this work we focus on the simulated RM structural and volumetric changes in the Wo range 2 = Wo =7 For the AOT/isooctane/water system, we obtain nonspherical aggregates of elliptical shape, with axial ratios between 1.24 and 1.41, the major axis being a, and the minor one, c. The hydrophilic inner core is also ellipsoidal with larger a/c ratios. Although experimental data indicate that the L2 phase of the AOT water/oil system is polydisperse, we have simulated only monodisperse RMs in our study. Nonetheless, we are able to reproduce the dimensions of the water-pool and its dependence on Wo as compared with scattering experiments carried out with SAXS or SANS. We have also investigated the static and dynamic properties of the RM's water inner core. Moving from smaller micelles to larger ones, we observe that the properties of confined water tend to near those of bulk water. In particular, we find that the solvation of the surfactant headgroups (hg) and counterions is more effective in larger micelles and that the diffusion of water is more retarded with respect to the bulk, in smaller RMs. For the volumetric properties, our calculations show that isothermal compressibilities of RMs increase linearly with Wo, in agreement with the experimental literature. In the case of the confined water volume, our calculations suggest small changes of the latter parameter (4% in difference) compared to bulk water. In contrast with literature, we found it remained constant with Wo. The compressibility of confined water varies between 24 and 60.10-5 MPa-1 according to the value of Wo. To study the influence of the AOT headgroup hydration, we have confined an a-helical alanine octapeptide in two RM with Wo=4.8 and 6.8. In the smallest RM, the preferential hydration of the AOT headgroup favors the stability of the a-helix in contrast to the largest one, where the periodical conformation of the peptide was lost. Our results show that the major force affecting the stability of octaalanine in small-size RM of AOT is hydration, as previously observed with much larger peptides. Furthermore the volumetric properties of the “filled” micelles do not significantly change with the incorporation of the peptides into the water core. For the surfactant C12E4 water system, we focused on the two possible imposed conformations (trans vs cis) of the surfactant headgroup, on the effect of RMs structures and water dynamics. Our results show that the surfactant headgroup conformation affects mainly the water-related properties, such as the water-core size, the area per surfactant headgroup, the headgroup hydration, and the water core translational diffusion. These parameters are similar to experimental data when the surfactant headgroups are in the trans position much more than in the cis one. Finally we found that the volumetric properties of the C12E4 RM, are not significantly modified according to the headgroup conformation. The compressibility value is in the 54 and 57.10-5 MPa-1 range. The volume of the confined water molecules is not significantly affected by their state (bound or free) and are close to the volume of pure water. However, our calculations indicate that their isothermal compressibility presents differences according to their state. The compressibility of free water was found twice as small (25.10-5 MPa-1) as that of pure water and it increases with the fraction of micellar bound water., Les micelles inverses (MI) sont des nano-gouttelettes d'eau, thermodynamiquement stables, dispersées dans une phase organique (généralement une huile), entourées d'une monocouche de tensioactif. Elles sont des modèles membranaires simplifiés, utilisées en biochimie pour solubiliser des protéines enzymes membranaires, peu ou pas solubles. Le fait que la dimension des micelles inverses dépend du rapport molaire Wo=[H2O]/[détergent] et que le contenu en eau dans des micelles inverses peut être finement contrôlé, ce sont des modèles intéressants pour étudier les effets de l'hydratation et du confinement sur la conformation des peptides, protéines et des acidesnucléiques. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié à l'aide des techniques de simulation de dynamique moléculaire (DM), les propriétés structurales et volumétriques (volume et compressibilité) de petites micelles inverses (i.e. avec des rapports 2 = Wo = 7) constituées d'un détergent ionique, le bis(2-ethylexyl sulfosuccinate) de sodium (AOT) et d'un non-ionique, le tétraéthylène glycol monododecylether (C12E4), en fonction de leur hydratation. Ces systèmes micellaires ont été simulés explicitement dans les conditions ambiantes de température et de pression avec des concentrations en solvant organique suffisantes pour reproduire les phases micellaires inverses. 1. Influence de l'hydratation sur les propriétés structurales et volumétriques des micelles inverses d'AOT Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la quantité d'eau solubilisée sur les propriétés structurales et dynamiques de l'eau confinée dans les micelles inverses d'AOT. Nous avons montré que : • Les micelles inverses construites avec une géométrie sphérique, ont toutes évoluées au cours des simulations vers une forme ellipsoïdale avec des rapports, entre l'axe majeur et mineur de l'ellipsoïde, plus élevés pour le coeur d'eau que pour la micelle (1.24 - 1.41 et 1.67 - 2.1, respectivement). Nos simulations reproduisent la dépendance linéaire de Rw en fonction de Wo donnée dans la littérature pour ce système ternaire, si on modélise les micelles comme des objets sphériques. Dans les micelles inverses les plus petites, la diffusion de translation de l'eau est fortement ralentie par la forte densité en ions et par le nombre de molécules d'eau liées aux têtes polaires, mais tend à se rapprocher de l'eau pure avec l'augmentation de Wo. • Quand aux propriétés volumétriques des micelles inverses et de l'AOT, nos calculs montrent que les compressibilités isothermes (comprises entre (70 et 78 (± 6).10-5 MPa-1 et 74 et 85 (± 4).10-5, respectivement) des micelles inverses modélisées, interprétés à l'aide du milieu effectif, augmentent de façon linéaire avec le rapport Wo, en accord avec les données de la littérature expérimentale. Dans le cas du volume de l'eau confinée nous avons calculé que celui-ci change peu (4 % de différence), par rapport à l'eau pure, et reste constant avec Wo. La compressibilité de l'eau confinée 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 encapsulée dans les micelles inverses d'AOT Dans un second temps, nous avons examiné l'influence de l'hydratation des têtes polaires des molécules d'AOT sur la stabilisation de la structure secondaire d'un peptide modèle (un octapeptide alanine en hélice-a), confiné dans des micelles d'AOT de rapport Wo » 4.8 et 6.8. Ce peptide est instable dans l'eau. Nous avons montré que : Resumé en français - 8 - • 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, où l'eau est majoritairement liée aux têtes polaires et donc peu disponible pour hydrater le peptide, la structure secondaire en hélice-a de l'octapeptide est conservée, alors quelle est plus ou moins rapidement perdue dans les micelles plus hydratées. • Dans le cas des propriétés volumétriques (volumes et compressibilités 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 têtes polaires des détergents sur la structure des micelles inverses de C12E4 avec un rapport Wo=3 Enfin, dans un troisième temps, nous avons étudié l'effet de l'hydratation faible sur la structure et les propriétés volumétriques des micelles inverses de C12E4 dans un rapport Wo=3 avec deux conformations possibles pour les têtes polaires des détergents (i.e. étendue vs. gauche). Ces deux micelles inverses ont été simulées dans le décane. Nous avons montré que : • Seules les propriétés structurales des coeurs d'eau des micelles sont significativement affectées par les conformations données aux têtes polaires des détergents. Lorsque que les têtes polaires sont gauches, l'eau confinée est peu liée aux têtes 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 têtes polaires en conformation étendue, le piégeage des molécules d'eau au niveau des têtes des C12E4 est favorisé, ce qui a pour conséquence une diminution de leur diffusion de translation. • Quand aux compressibilités isothermes des micelles inverses, celles-ci ne sont pas significativement modifiées en fonction de la conformation des têtes polaires des détergents et sont proches de 54 et 57 (± 5).10-5 MPa-1. Le volume des molécules d'eau confinées dans les deux micelles ne montrent pas de variations que leur état soit liée ou libre et sont proches du volume de l'eau pure. Cependant, on constate que les compressibilités isothermes de l'eau confinée présentent des différences en fonction de leur état : l'eau liée présente une compressibilité isothermique environ deux fois plus faible (25 (± 2).10-5 MPa-1) que celle de l'eau pure, et sa compressibilité augmente avec la fraction d'eau libre dans les micelles. Finalement, la confrontation de nos résultats avec ceux de la littérature nous a permis de proposer un modèle de structure pour les micelles inverses de C12E4 de rapport Wo< 3.

In this Ph..D. dissertation, we have used constant pressure and temperature molecular dynamics simulations to study the structural and volumetric (Voronoi volume and isothermal compressibility) changes of the surfactant AOT and C12E4 reverse micelles (RM) as a function of hydration. The two systems were simulated in the apolar solvents isooctane and decane respectively. The concentrations of the two ternary systems were selected to fall within a L2 phase ranges. A key parameter of RM is the water-to-surfactant molar ratio Wo which determines their water content as well as the micellar size. In this work we focus on the simulated RM structural and volumetric changes in the Wo range 2 ≤ Wo ≤7 For the AOT/isooctane/water system, we obtain nonspherical aggregates of elliptical shape, with axial ratios between 1.24 and 1.41, the major axis being a, and the minor one, c. The hydrophilic inner core is also ellipsoidal with larger a/c ratios. Although experimental data indicate that the L2 phase of the AOT water/oil system is polydisperse, we have simulated only monodisperse RMs in our study. Nonetheless, we are able to reproduce the dimensions of the water-pool and its dependence on Wo as compared with scattering experiments carried out with SAXS or SANS. We have also investigated the static and dynamic properties of the RM's water inner core. Moving from smaller micelles to larger ones, we observe that the properties of confined water tend to near those of bulk water. In particular, we find that the solvation of the surfactant headgroups (hg) and counterions is more effective in larger micelles and that the diffusion of water is more retarded with respect to the bulk, in smaller RMs. For the volumetric properties, our calculations show that isothermal compressibilities of RMs increase linearly with Wo, in agreement with the experimental literature. In the case of the confined water volume, our calculations suggest small changes of the latter parameter (4% in difference) compared to bulk water. In contrast with literature, we found it remained constant with Wo. The compressibility of confined water varies between 24 and 60.10-5 MPa-1 according to the value of Wo.To study the influence of the AOT headgroup hydration, we have confined an Α-helical alanine octapeptide in two RM with Wo=4.8 and 6.8. In the smallest RM, the preferential hydration of the AOT headgroup favors the stability of the Α-helix in contrast to the largest one, where the periodical conformation of the peptide was lost. Our results show that the major force affecting the stability of octaalanine in small-size RM of AOT is hydration, as previously observed with much larger peptides. Furthermore the volumetric properties of the “filled” micelles do not significantly change with the incorporation of the peptides into the water core. For the surfactant C12E4 water system, we focused on the two possible imposed conformations (trans vs cis) of the surfactant headgroup, on the effect of RMs structures and water dynamics. Our results show that the surfactant headgroup conformation affects mainly the water-related properties, such as the water-core size, the area per surfactant headgroup, the headgroup hydration, and the water core translational diffusion. These parameters are similar to experimental data when the surfactant headgroups are in the trans position much more than in the cis one. Finally we found that the volumetric properties of the C12E4 RM, are not significantly modified according to the headgroup conformation. The compressibility value is in the 54 and 57.10-5 MPa-1 range. The volume of the confined water molecules is not significantly affected by their state (bound or free) and are close to the volume of pure water. However, our calculations indicate that their isothermal compressibility presents differences according to their state. The compressibility of free water was found twice as small (25.10-5 MPa-1) as that of pure water and it increases with the fraction of micellar bound water.; Dans cette thèse, nous présentons des résultats de simulations de dynamique moléculaire (MD) explicites dans les conditions ambiantes de micelles inverses (MI) d'AOT et de C12E4 en fonction du rapport molaire Wo=[H2O]/[détergent] qui caractérise la dimension des MI et leur contenu en eau. Le rapport des MI était 2 ≤ Wo ≤7. Nous avons étudié les changements de structure et les compressibilités des micelles inverses avec Wo. Lorsque le rapport Wo