Structure et fonction des protéines

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1 Structure et fonction des protéines Partie 1 : Repliement et structure tertiaire marie-line.garron@afmb.univ-mrs.fr L2

2 Structures des polypeptides Structure Primaire: séquence linéaire des acides aminés Structure Secondaire: Hélices α, brins β, boucles Structure Tertiaire: association des éléments de structure secondaire provenant d une seule chaine polypeptidique Structure Quaternaire: complexe stable de plusieurs protéines (complexe multimèrique)

3 Les représentations et les conventions Phosphate binding protein (1IXH)EASLTGAGATFPAPVYAKWADT YQKETGNKVNYQGIGSSGGVKQIIANTV DFGASDAPLSDEKLAQEGLFQFPTVIGG VVL Stick Rotamères coloration CPK du N-terminal vers le C-terminal E A S L T G A Sphère

4 Les représentations et les conventions Ribbon Cartoon Coloration en fonction des SII Surface

5 Partie 1 : Repliement et structure tertiaire I/ De la structure primaire à la structure tertiaire Interaction, Energie et Repliement

6 Les interactions Liaisons électrostatiques Solvatation Liaisons hydrogènes Interactions hydrophobes Liaisons de Van der Waals Protéine globulaire soluble Ponts disulfures

7 Le repliement Unfolded Folded Agents chaotroptes Urée C. Anfinsen Chlorure de Guanidinium Agents réducteurs βmercaptoethanol Dithiothreitol (DTT) Température ph extrêmes L information de repliement est contenu dans la séquence primaire

8 L information de repliement est contenu dans la séquence La structure d une protéine native est unique, stable et thermodynamiquement accessible Energie Energie libre ΔG=ΔH-TΔS U ΔG F enthalpie entropie U F Le paradoxe de Levinthal Polypeptides de 100AA Si chaque AA peut prendre deux conformations Alors la chaine polypeptidique peut adopter conformations Disons que l interconversion entre chaque conformations prends s conformations x s/conformations =10 18 s 1 an = s s ans 30 milliards d années Rmq : La terre c est formée il y a 4,5 milliards d années

9 L information de repliement est contenu dans la séquence U F Il existe un «chemin» de repliement et une coopérativité Energie ΔG=ΔH-TΔS U Dill et al., PNAS 1993; 90: ΔG F Théorie de l entonnoir Unfold From Alan Fersht. Structure and Mechanism in Protein Science Energie Fold Dill and Chan, Nature Struct Biol 1997; 4:10-19

10 Les interactions et le repliement Energie libre ΔG=ΔH-TΔS enthalpie entropie «ordre» ΔG<0 Energie U ΔG F Plus un système est désordonné plus son entropie est grande Liaisons faibles ΔH<<0

11 L information de repliement est contenu dans la séquence 16% d identité Mutagenèse 88% d identité 24 mutations / mutations / 56 Domaine Ga HSA binding(psd-1) Domaine Gb IgG binding domain (GB1) He Y et al. PNAS 2008

12 Partie 1 : Repliement et structure tertiaire II/ Les motifs structuraux Super structure secondaire et connectivité

13 Les motifs en brin β Feuillet β β hairpin Ψloop La clé grecque

14 Les motifs en hélice α Hélice Tour Hélice Leucine zipper Coiled-coil Dynéine La main EF Carter A. P. Science 2011 Calcium Binding protein (CBP)

15 Connaître, comprendre et utiliser Doigts de Zinc ZFNs (Zinc Finger Nucleases) C-X 2,4 -C-X 12 -H-X 3/5 -H

16 Répétition et motif : exemple des Leucin Rich Repeat Toll Like Receptor

17 Topologie et connectivité

18 Partie 1 : Repliement et structure tertiaire III/ Structure tertiaire Conservation, classification et repliements remarquables

19 Topologies remarquables Helix bundle

20 Topologies remarquables Hélices α perpendiculaires : Globin fold généralement huit hélices α repliement commun à la myoglobine et à l hémoglobine angles 20, 50 ou 90 (dépendent de la séquence primaire) conservation des patchs hydrophobes Myoglobine avec hème

21 Topologies remarquables Up-and-down β-barrel De 4 à plus de 20 brin antiparallèles Retinol Binding Protein Encombrement stérique Représentation surface Rétinol

22 Topologies remarquables le Tim barrel Vue de coté Vue de dessus

23 Topologies remarquables β-propeller (hélice) Répétition de 4 à 8 fois du motif (blade/pale) constitué de 4 brins antiparallèles 5-bladed β-propeller Neuraminidase (sialidase) (1VCU)

24 Topologies remarquables Les sandwichs β: Ig fold IgG (1FDL) βjelly roll Alginate lyase (1UAI)

25 Topologies remarquables le Rossman fold Oxydoreductase (1ZH8) Axe de rotation ordre Fixe co-facteur

26 Topologies remarquables le Rossman fold Nicotinamide Adénine dinucléotide

27 Pont disulfure et petites protéines Plant Defensin (1N4N) Bungarotoxine (toxine de serpent) 2NBT 66AA 5 ponts disulfures 47AA 5 ponts disulfures Stabilise les petites protéines (intra-caténaires) Stabilise les structures quaternaires (inter-caténaires) Typique des protéines secrétées Rare dans les protéines cytoplasmiques

28 Identité de séquence et structure Superposition de la structure III Corrélation SI/SIII 30% Conservation de la séquence

29 Séquence A (336AA) IGVCYGMLGNNLPPPSEVVSLYKSNNIARMRLYDPNQAAL QALRNSNIQVLLDVPRSDVQSLASNPSAAGDWIRRNVVAY WPSVSFRYIAVGNELIPGSDLAQYILPAMRNIYNALSSAGL QNQIKVSTAVDTGVLGTSYPPSAGAFSSAAQAYLSPIVQFL ASNGAPLLVNVYPYFSYTGNPGQISLPYALFTASGVVVQD GRFSYQNLFDAIVDAVFAALERVGGANVAVVVSESGWPS AGGGAEASTSNAQTYNQNLIRHVGGGTPRRPGKEIEAYIF EMFNENQKAGGIEQNFGLFYPNKQPVYQISF 14% identité Séquence B (312AA) HTVSPVNPNAQQTTKTVMNWLAHLPNRTENRVLSGA FGGYSHDTFSMAEADRIRSATGQSPAIYGCDYARGW LETANIEDSIDVSCNGDLMSYWKNGGIPQISLHLANPA FQSGHFKTPITNDQYKNILDSATAEGKRLNAMLSKIAD GLQELENQGVPVLFRPLHEMNGEWFWWGLTSYNQK DNERISLYKQLYKKIYHYMTDTRGLDHLIWVYSPDAN RDFKTDFYPGASYVDIVGLDAYFQDAYSINGYDQLTA LNKPFAFTEVGPQTANGSFDYSLFINAIKQKYPKTIYFL AWNDEWSAAVNKGASALYHDSWTLNKGEIWNGDSL TPIVE TIM Barrel (β/α) 8 2CYG TIM Barrel (β/α) 8 2WHK Glycoside Hydrolase 17 β-1,3-glucanase ( ) Eucaryote Clan Structural Glycoside Hydrolase 26 β-mannanase ( ) Procaryote

30 Classification des structures Niveau 1: Classe Composition en structure secondaire Niveau 2 : Architecture Arrangement de structure secondaire sans regarder les connexions Niveau 3 : Topologie On regarde les connexions entre les éléments de structure secondaire Niveau 4 : Homologie Recherche d identité de séquence (ancêtre commun) Niveau 5 : Séquence Sélection stricte dans l identité de séquence Annu Rev Biochem. 2005;74: Protein families and their evolution-a structural perspective. Orengo CA, Thornton JM.

31 Classification des structures Majoritairement α α/β Majoritairement β SCOP ( CATH (

32 Partie 1 : Repliement et structure tertiaire IV/ Modularité Les domaines d interactions ubiquité et spécificité

33 Structure III et modularité Certaines protéines peuvent être modulaires et présentées plusieurs domaines Exemple des récepteurs nucléaires : Domaine : repliement qui présente une structure (fonction) indépendante du reste de la protéine

34 Les domaines d interaction Pawson et al. Science 300, 445 (2003)

35 Src Protéine tyrosine kinase Src : sarcome proto-oncogène c-src humaine (2SRC) Src Homology Tyrosine kinase SH2 SH3

36 SH2 SH2 v-src (1SHB) 100 aine AA > 100 copies chez l homme

37 SH2 L A V R pt SH2-src : ptyr-glu-glu-ile

38 SH2 SH2 v-src (1SHB) V SH2 Grb2 (1JYR) T Ile Cα I Lys Nα SH2-src : ptyr-glu-glu-ile SH2-Grb2 : ptyr-x-asn Lys Cα