Structure et repliement des protéines

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1 1 / 129 Structure et repliement des protéines Dirk Stratmann (dirk.stratmann@upmc.fr) IMPMC, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) septembre 2015

2 Dirk Stratmann Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie Etude des structures 3D des protéines par analyse et simulation numérique: Interactions protéine-protéine, docking Fragments protéiques, peptides Algorithmes des graphes Dynamique moléculaire Langages utilisés: C++ et python

3 3 / 129 Plan 1 Introduction 2 Acides aminés 3 Structures secondaires 4 Structures tertiaires

4 1 Introduction Livres Types de protéine Protéines globulaires Fonction des protéines Niveaux de structuration 4 / 129

5 Livres 5 / 129 Livres

6 6 / 129 Livres Livres 2004, Petsko, Ringe: Structure et fonction des protéines 1991, Branden et Tooze: Introduction à la structure des protéines 2012, Williamson: How Proteins Work Lehninger Principles of Biochemistry

7 Types de protéine 7 / 129 Types de protéine

8 8 / 129 Types de protéine Types de protéine 1 Protéines globulaires (solubles dans l eau) 2 Protéines membranaires 3 Protéines fibrillaires: cytosquelette, cheveux,... 4 Protéines nativement déstructurées

9 Types de protéine Protéines membranaires Environnement apolaire -> Liaisons hydrogène du squelette -> Structures secondaires Majoritairement hélices α, sinon β barrel Pas de structure transmembranaire mixte α/β connue 9 / 129

10 10 / 129 Types de protéine Protéines fibrillaires Collagen, triple hélice Soie, feuillet bêta anti-parallèle Cheveu, kératine, hélice α

11 Types de protéine Protéines nativement déstructurés 11 / 129

12 Protéines globulaires 12 / 129 Protéines globulaires

13 13 / 129 Protéines globulaires Protéines globulaires

14 Protéines globulaires Protéines globulaires <-> Micelles 14 / 129

15 15 / 129 Protéines globulaires Représentation Essayer pymol:

16 Protéines globulaires Représentation en "cartoon" Squelette est lissé, ruban Hélices par un ruban en hélice Brins remplacés par des flèches orientées Boucles par des cylindres fins 16 / 129

17 17 / 129 Protéines globulaires Représentation - Eau Eau à la surface (vue par X-ray): Eau enfouie à l intérieur de la protéine:

18 18 / 129 Protéines globulaires Représentation

19 Fonction des protéines 19 / 129 Fonction des protéines

20 20 / 129 Fonction des protéines Liaison Protéine de liaison aux boîtes TATA Myoglobine

21 21 / 129 Fonction des protéines Catalyse ADN polymérase Protéase du VIH

22 Fonction des protéines Commutateurs (Switching) 22 / 129

23 Niveaux de structuration 23 / 129 Niveaux de structuration

24 Niveaux de structuration Niveaux de structuration 24 / 129

25 25 / 129 Niveaux de structuration Niveaux de structuration 1 Structure primaire = séquence 2 Structure secondaire (ordre conformationnel local = hélices, brins ou boucles) 3 Structure super-secondaire (motifs structuraux) 4 Structure tertiaire = un ou plusieurs domaines 5 Structure quaternaire = assemblage de plusieurs chaînes protéiques

26 26 / 129 Niveaux de structuration Structure primaire Structure Primaire = séquence des acides aminés dans l ordre de leur synthèse selon le gène qui les a codé Acide aminé = résidu Définition "résidu": l élément de construction d un polymère. Le fragment libéré lorsque les liaisons qui assurent l assemblage des segments du polymère sont rompues.

27 2 Acides aminés Acides aminés Liaison peptidique Angle dièdre Chiralité Chaînes latérales Classes d acides aminés 27 / 129

28 Acides aminés 28 / 129 Acides aminés

29 29 / 129 Acides aminés Acides aminés

30 Acides aminés Acides aminés dans l eau -> Zwitterion Accepteur de proton -> Base Donneur de proton -> Acide 30 / 129

31 Liaison peptidique 31 / 129 Liaison peptidique

32 32 / 129 Liaison peptidique Liaison peptidique

33 33 / 129 Liaison peptidique Liaison peptidique

34 Liaison peptidique Liaison peptidique - Conjugaison 34 / 129

35 Liaison peptidique Rappel géométries des liaisons carbone Conformations = arrangements des atomes qui ne se différencient que par des rotations autour de liaisons simples. 35 / 129

36 36 / 129 Liaison peptidique Conformation squelette I

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38 38 / 129 Liaison peptidique Conformation squelette II

39 39 / 129 Liaison peptidique Conformations cis & trans

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41 Angle dièdre 41 / 129 Angle dièdre

42 42 / 129 Angle dièdre Conformation squelette I

43 43 / 129 Angle dièdre Angle dièdre

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45 45 / 129 Angle dièdre Valeurs possibles pour (Φ, Ψ) (Φ, Ψ) = (0, 0)?

46 Carte de Ramachandran pour L-Ala

47 Carte de Ramachandran de l enzyme "pyruvate kinase" sans Gly Gly a beaucoup plus de valeurs (Φ, Ψ) permises Pro a des valeurs très restreintes, car la chaine latérale cyclique restreint Φ à l intervalle [-35, -85] degrés Asymétrie de la carte: à cause de la conformation en L des AA

48 Carte de Ramachandran

49 Chiralité 49 / 129 Chiralité

50 50 / 129 Chiralité Chiral VS achrial

51 Chiralité Chiralité des acides aminés On trouve uniquement la forme L (levogyres) dans les protéines -> important pour leur structure 3D On a trouvé la forme D dans quelques peptides. Gly n a pas de chiralité 51 / 129

52 52 / 129 Chiralité L-form - "CORN" Observe le long H-Ca; "CORN" (anglais: graine de blé) est l acronyme de COOH, R (chaîne latérale) et NH2; Si on forme CORN dans le sens des aiguilles d une montre, la conformation est L; sinon elle est D. Convention de Fischer.

53 53 / 129 Chiralité Nomenclature R / S Règle de Cahn-Ingold-Prelog : classe les atomes liés au centre chiral Règle 1: La priorité est établie d après les nombres atomiques des atomes qui sont liés à un atome chiral Règle 2: Si 2 substituants ou plus ont le même grade lorsque l on considère les atomes attachés au stéréocentre, continuer le long des chaînes substitutives jusqu à ce l on atteigne un atome de nature différente qui permette une distinction de priorité

54 54 / 129 Chiralité Nomenclature R / S 1 Positionne la molécule de façon à ce que le substituant possédant la priorité la plus faible soit le plus éloigné de l observateur. 2 Si l ordre de priorité suit la rotation des aiguilles d une montre, configuration R (rectus, droit) 3 Sinon, configuration S (sinister, gauche)

55 55 / 129 Chiralité Nomenclature R / S 1 Tous les acides aminés naturels possèdent la configuration S dans la classification Cahn-Ingold-Prelog, car NH > CO > R > Ha 2 Sauf cystéine: NH > R > CO > Ha (R: C-S qui l emporte sur C=O) 3 Mais la position de la chaîne latérale est la même dans l espace (ils sont tous de la série L)

56 Chaînes latérales 56 / 129 Chaînes latérales

57 57 / 129 Chaînes latérales Nomenclature chaînes latérales

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59 Chaînes latérales Conformations chaînes latérales 59 / 129

60 Classes d acides aminés 60 / 129 Classes d acides aminés

61 61 / 129 Classes d acides aminés Trois classes 1 hydrophobes (= non polaire): Ala, Val, Phe, Pro, Leu, Ile 2 hydrophiles (= polaire ou chargé): Arg, Asp, Glu, Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, His 3 amphipathique (les deux en même temps): Lys, Tyr, Met, Trp

62 Classes d acides aminés Acides aminés hydrophobes 62 / 129

63 Classes d acides aminés Acides aminés hydrophiles 63 / 129

64 Classes d acides aminés Acides aminés amphipathique 64 / 129

65 Classes d acides aminés Classes d acides aminés Wikipedia: Dan Cojocari (2011), Department of Medical Biophysics, University of Toronto 65 / 129

66 Classes d acides aminés Classes d acides aminés Wikipedia: Dan Cojocari (2011), Department of Medical Biophysics, University of Toronto 65 / 129

67 Classes d acides aminés Classes d acides aminés Wikipedia: Dan Cojocari (2011), Department of Medical Biophysics, University of Toronto 65 / 129

68 66 / 129 Classes d acides aminés Propriétés Livingstone and Barton (1993), Bioinformatics

69 Classes d acides aminés Venn diagram 67 / 129

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71 69 / 129 Classes d acides aminés Ponts disulfures Liaison covalente entre deux chaînes latérales (les soufres de deux cystéines) éloignées en séquence Qu en milieu oxidant => milieu extracelluaire Post traductionnel

72 Classes d acides aminés Acides aminés - codons 70 / 129

73 Classes d acides aminés Acides aminés - codons 71 / 129

74 3 Structures secondaires Structures secondaires Hélices Feuillets β Boucles Motifs structuraux 72 / 129

75 Structures secondaires 73 / 129 Structures secondaires

76 Structures secondaires Effet hydrophobe et squelette polaire 74 / 129

77 75 / 129 Structures secondaires Structures secondaires Organisation locale de la conformation des acides aminés Régularité des DEUX angles dièdres du squelette Ordre local dû aux chaînes latérales, mais pas exclusivement car deux séquences identiques ne donnent pas toujours la même structure secondaire

78 Hélices 76 / 129 Hélices

79 77 / 129 Hélices Hélices Formes compactes Liaisons hydrogène intra Structure Secondaire ; Entre CO(i) et NH(i+c) où c est la connectivité de l hélice Notation : n a ; n nombre de résidus par tour a nombre d atomes le long du squelette pour fermer la liaison H

80 Hélices alpha Connectivité 4 3, % PDB Longueur 12 AA Moments dipolaires parallèles (,y) = (-57,- 47 ) 45

81 79 / 129 Hélices Hélice alpha

82 80 / 129 Hélices Hélice alpha

83 81 / 129 Hélices Hélice alpha

84 82 / 129 Hélices Hélix wheel

85 Caractéristiques communes aux hélices La connectivité c. Incrément résidus reliés par liaison H. Le nombre de résidus par tour, n. Le twist, i.e. la rotation par résidu (en degrés par tour). Le rise, i.e. la translation par résidu, mesurée le long de l axe de l hélice. Le pitch est la répétition des résidus le long de l axe de l hélice, sans correspondre à la position d un atome. C est donc le nombre de résidus par tour multiplié par le rise. Le pas le long de l axe de l hélice : c est l intervalle entre deux résidus en phase, i.e. de même projection dans le plan perpendiculaire à celui de l hélice. 44

86 Hélices 3 10 Connectivité de 3 Courtes : 96% ont moins de 4 résidus Souvent en terminaison des hélices alpha 3% des résidus Moments dipolaires non parallèles à l axe Peu stable, rayon faible (contacts au travers hélice) Décrite en 1943 par Higgins N= 3; Twist 120 ; Rise = 2Å; Pitch = 6Å 47

87 Hélice

88 Hélices Connectivité de 5 Rare, limitée à un tour, trou au centre Nomenclature : Twist 82 ; Rise 1.15Å; Pitch 5.1 Å, y = (-57,-70 ) Hélices 5.1 (de Pauling) Connectivité de 6 Nomenclature Twist 70 ; Rise 0.98 Å 49

89 Caractéristiques hélices Hélice n connec Twist Rise Pitch, y tivité ( ) (Å) (Å) (, ) ,-10 Alpha ,-47 Pi ,-70 Pauling Brin

90 Triple hélice de collagène Le collagène est toujours formé de trois chaînes entrelacées avec un pas à droite Dans la zone beta du Ramachandran 51

91 89 / 129 Hélices Hélices polyproline Polyproline II: Hélice composée uniquement de prolines Pas de liaisons hydrogènes internes Liées par les domaines SH3 => importance pour les interactions protéine-protéine Angles dihèdres (-75, 150) fréquents dans les protéines aussi pour d autres acides aminés (dans les turns).

92 Chapeaux 52

93 Nomenclature hélices Extrémité N terminale N -N -Ncap amont hélice N1-N2-N3 dans l hélice Extrémité C terminale C3-C2-C1 dans l hélice C -C aval hélice De N1 à C1, angles dièdres d une hélice 53

94 N-cap (chapeau N) Pas de liaison H pour les 4 premiers NH donneurs, de Ncap à N3 Favorise les résidus Asp, Asn, Ser et Gly, liaison H avec N3 54

95 C-cap (Chapeau C) Pas de liaison H pour les 4 derniers CO accepteurs Favorise les résidus His, Arg, Lys en i+3 (liaison H chaîne latérale), et Gly en C-cap 55

96 Propension des résidus Leu et Met favorables (hydrophobie vers intérieur) Val défavorable (b branchée, diminution de l entropie) Poly Ala facilement en hélice Pro initiateur d hélices, mais les coude (20 ) si placée au milieu (détruit deux liaisons H). Hélices avec Pro souvent longues Hélices externes souvent courbées : CO externes forment des liaisons H 56

97 95 / 129 Hélices Propension des résidus

98 Feuillets β 96 / 129 Feuillets β

99 Brins Conformation étendue (1930) Liaison H inter brins (Pauling) Longueur moyenne = 5 AA 25-30% des résidus Rise = 3.5 Å ; Pitch = 7 Å 57

100 Feuillets Définis par les liaisons H entre squelettes de plusieurs brins qui peuvent être parallèles ou antiparallèles Parallèles (-120,120 ) plus enfouis Antiparallèles (-140,130 ) plus exposés, plus stables Souvent feuillets mixtes Plans des feuillets twistés 58

101 Feuillets parallèles 59

102 Feuillets antiparallèles 60

103 101 / 129 Feuillets β Feuillets mixtes

104 102 / 129 Feuillets β Feuillets plissés

105 103 / 129 Feuillets β Courbure d un feuillet

106 Beta bulge (Hernie Beta) Insertion d un résidu supplémentaire dans un des brins Rupture du motif des liaisons H Surtout antiparallèles (5% sont dans les parallèles) Résidu bulgé noté X, les deux en face notés 1 et 2 Barnase (1ban) Hernie X=E73; 1=G53 et 2=D54 Mutation de G53 implique grande perte de l activité biologique. 66

107 Beta bulge (Hernie) 5cpa: carboxypeptidase 67

108 Nomenclature Bulges Classique : un résidu supplémentaire sur un des brins; liaisons H autour étroites Wide : un résidu supplémentaire sur un des brins ; liaisons H autour larges Bent: beaucoup plus rare: un résidu supplémentaire par brin G1: antiparallèles seulement. 1 souvent Gly car conformation hélice gauche. Souvent en fin de brin. Spécial: jusqu à 3 résidus supplémentaires par brin. 68

109 Boucles 107 / 129 Boucles

110 108 / 129 Boucles Boucles

111 Boucles Pas de régularité conformationnelle d un résidu au suivant (mais dans les zones autorisées du Ramachandran) Exposées, portent les sites de reconnaissance Permettent au polymère de se replier en retournant au cœur de la protéine Les tours (turns) :, b, a et, selon qu ils contiennent 3, 4, 5 ou 6 AA. Souvent il existe une liaison H caractéristique Les épingles à cheveux (hairpins) : souvent 2 AA seulement 71

112 Cas particulier d un coude entre deux brins antiparallèles et reliés par des liaisons H Nombre de résidus variables, 70% moins de 7 résidus; plupart ont 2 résidus b Hairpins 72

113 Epingles à cheveux beta Entre deux brins antiparallèles 73

114 Epingles à cheveux alpha 74

115 Tours (coudes) Boucles courtes, 3 à 6 résidus Environ le tiers des résidus dans les tours Considérées comme SSR par certains programmes d attribution (DSSP) Nom = fonction du nombre de résidus dans le tour turn : 3 résidus b turn : 4 résidus a turn : 5 résidus turn : 6 résidus 75

116 Motifs structuraux 114 / 129 Motifs structuraux

117 115 / 129 Motifs structuraux Motifs structuraux Structures supersecondaires Succession de deux ou trois éléments de structure secondaire régulière reliés par une ou deux boucles Il faut une interaction entre les structures secondaires pour que l on parle de structure supersecondaire

118 116 / 129 Motifs structuraux Motifs structuraux Structures supersecondaires

119 117 / 129 Motifs structuraux Motifs structuraux - Zinc Finger

120 Motifs structuraux Motifs structuraux - Helix-turn-helix 118 / 129

121 Motifs structuraux Motifs structuraux - Helix-turn-helix 119 / 129

122 4 Structures tertiaires Structures tertiaires Structure <-> Fonction 120 / 129

123 Structures tertiaires 121 / 129 Structures tertiaires

124 122 / 129 Structures tertiaires Structures tertiaires Organisation spatiale des structures secondaires reliées entre elles par les charnières que sont les boucles Taille typique = AA, Å diamètre Correspond à une chaîne (résultat de la traduction d un gène)

125 123 / 129 Structures tertiaires Protéines globulaires

126 124 / 129 Structures tertiaires Représentation Essayer pymol:

127 Structures tertiaires Même structure 2D, mais 3D différent 125 / 129

128 Structure <-> Fonction 126 / 129 Structure <-> Fonction

129 Structure <-> Fonction Structure 3D similaire, mais fonction différent 127 / 129

130 Structure <-> Fonction Même fonction, mais pas Structure 3D 128 / 129

131 Structure <-> Fonction Même fonction, mais pas Structure 3D 129 / 129