Post on 17-Feb-2020
Relation Structure-Dynamique-fonction
Plan du cours
I-Intro
II-Retour sur l'origine expérimentale des structures
III- La classification des mouvements
IV- La description des mouvements moléculaires
V-Étude expérimentale de la dynamique moléculaire
Topics :
histoires de relation dynamique-fonction
Les structures font du cinéma (simulations numériques)
III- La classification des mouvements des protéines
1-Mouvements globaux
2-Mouvements de domaines
Les protéines en fonction
3-Mouvements internes
Des vibrations au repliement des protéines
III- La classification des mouvements des protéines
1-Mouvements globaux
Translation
Rotations
1-Mouvements globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Vitesse de diffusion de la molécule
1-Mouvements globaux
Dépend de la température
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Vitesse de diffusion de la molécule
1-Mouvements globaux
Dépend de la température (de l'énergie cinétique)
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Vitesse de diffusion de la molécule
1-Mouvements globaux
Dépend de la température (de l'énergie cinétique)
Viscosité (limite le mouvement)
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Vitesse de diffusion de la molécule
1-Mouvements globaux
Dépend de la température (de l'énergie cinétique)
Viscosité (limite le mouvement)
Pour une sphère de rayon r
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stokes-Einstein
Vitesse de diffusion de la molécule
1-Mouvements globaux
Billes de latex 0,8 µm
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stokes-Einstein
Nature du déplacement : diffusion Brownienne
1-Mouvement globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement : diffusion Brownienne
Trajectoire brownienne : mouvement « aléatoire »
Liée à une probabilité de choc avec les molécules d'eau
1-Mouvement globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement : diffusion Brownienne
Trajectoire brownienne : mouvement « aléatoire »
Liée à une probabilité de choc avec les molécules d'eau
1-Mouvement globaux
HIV1 protéase
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement : diffusion Brownienne
Trajectoire brownienne : mouvement « aléatoire »
Liée à une probabilité de choc avec les molécules d'eauRôle important pour la dynamique interne des macromolécules biologiques ...
1-Mouvement globaux
Expérience de FRAP
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement : diffusion Brownienne
Diffusion de protéines fluorescentes à la surface de cellules (Fluorescence Recovery After Photobleaching)
1-Mouvement globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement :
diffusion Brownienne
Brownienne ?
Diffusion de protéines fluorescentes à la surface de cellules
(single) Particle Tracking
1-Mouvement globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement :
diffusion Brownienne
Brownienne ?
Non Brownienne
(single) Particle Tracking
Diffusion de protéines fluorescentes dans des cellules
Protéine TIPS à l'extrémité des microtubules
1-Mouvement globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement :
Non Brownienne
Diffusion de protéines fluorescentes dans des cellules : (single) Particle Tracking
Présence de « radeaux lipidiques » (CIML Luminy)
1-Mouvement globaux
Translation moléculaire
Loi de la diffusion : Stoke-Einstein
Nature du déplacement :
Non Brownienne
Diffusion de protéines fluorescentes dans des cellules : (single) Particle Tracking
Diffusion limitée par le cytosquelette (CIML Luminy)
III- La classification des mouvements des protéines
1-Mouvements globaux
Translation
Rotation
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein (Tc = 1/6Dr)
c : temps de corrélation rotationnel
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Temps qui caractérise la rotation de la molécule sur elle même (env 40° en moyenne)
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Temps qui caractérise la rotation de la molécule sur elle même (env 40° en moyenne)
Mesuré expérimentalement
RMN
Fluorescence (Mesure d'anisotropie de fluorescence)
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Temps qui caractérise la rotation de la molécule sur elle même (env 40° en moyenne)
Mesuré expérimentalement
RMN
Fluorescence (Mesure d'anisotropie de fluorescence)
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
Une petite molécule à plus rapidement fait le tour !
0 5 10 15 20 25 30 35 400
20
40
60
80
100
120
Tc Rotationnel (ns)
Mas
se M
ole
cula
ire (
kDa)
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
Une petite molécule à plus rapidement fait le tour!
0 5 10 15 20 25 30 35 400
20
40
60
80
100
120
Tc Rotationnel (ns)
Mas
se M
ole
cula
ire (
kDa)
1-Mouvement globaux
Rotation moléculaire
Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein
c : temps de corrélation rotationnel
Mesuré expérimentalement
Nature Brownienne de ce mouvement
Réorientation « aléatoire »
Une petite molécule à plus rapidement fait le tour!
c : une grandeur essentielle
pour la RMN
III- La classification des mouvements des protéines
1-Mouvements globaux
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov
Charnière et cisaillement
Ajustement induit et Allostérie
3-Mouvements internes
Vibrations (fs - ps)
Angles dièdres et transitions conformationnelles (ns-µs)
Repliement des protéines (µs-s)
T-RNA dans le ribosome
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
Une protéine et plusieurs structures
GroEl monomère
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
Une protéine et plusieurs structures
GroEl : double heptamére
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
Une protéine et plusieurs structures
200 exemples décortiqués
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
Une protéine et plusieurs structures
200 exemples décortiqués
Des 1000er de « Morph » soumis par les utilisateurs
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
Une protéine et plusieurs structures
200 exemples décortiqués
Des 1000er de « Morph » soumis par les utilisateurs
Classification
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov (2003)
Une protéine et plusieurs structures
200 exemples décortiqués
Des 1000er de « Morph » soumis par les utilisateurs
Classification
2-Mouvements de domaines
Charnières et cisaillements
2-Mouvements de domaines
Charnières et cisaillements
2-Mouvements de domaines
Charnières et cisaillements
Glutamine Binding Protein
Quelques liens interdomaine
30° de rotation
Grands mouvements sur très peu d'angles de torsion*
*torsion = dièdre
2-Mouvements de domaines
Charnières et cisaillements
2-Mouvements de domaines
Charnières et cisaillements
Glissement d'interface les une sur les autres
Beaucoup de résidus impliqués
Réorganisation plus diffuse le long de la chaîne protéique
Réorganisation des intéractions
2-Mouvements de domaines
Charnières et cisaillements
Aspartate Amino transférase
Glissement à 2 interfaces perpendiculaires
Rotation de 13° pt vs gd domaines
Petit mouvement de charnière qui implique l'hélice sur 17° (cassure)
2-Mouvements de domaines
Mouvements complexes
Hémoglobine
Fixation de l'O2 sur l'hème
Aplatissement de l'hème
Déplacement d'une hélice proximale
Destruction de ponts salins dans les interfaces entre tétramères*
Réorganisation de nouveaux ponts salins
* La figure ne montre que le monomère
2-Mouvements de domaines
Classification
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
O
FL
ﾲ
?
O : ouvert; F: fermée; L: ligand
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
ﾲ
OL
KdO
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
F
ﾲ
KdF
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
ﾲ
ﾲ
KdF
KdO
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
Qu'est ce que cela change ?
Rien du point de vue de la thermodynamique des 2 états observés
Beaucoup du point de vue fonctionnel et évolutif
Affinité du ligand pour chacun des états :Paramètre déterminant KdO vs KdF ?
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
ﾲ
ﾲ
KdO
KdF
KdO vs KdF ?
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
Ex : Maltose Binding Protein
Maltose
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
Ex : Maltose Binding Protein
Objectif : Amélioration Kd. Où muter ?
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
Ex : Maltose Binding Protein
Objectif : Amélioration Kd. Où muter ?
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
Ex : Maltose Binding Protein
Objectif : Amélioration Kd. Où muter ?
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
Ex : Maltose Binding Protein
Objectif : Amélioration Kd. Où muter ?
A l'opposée du site de fixation !
Gros résidus
Kd x 100
2-Mouvements de domainesAllostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
Ex : Maltose Binding Protein
ﾲ
ﾲ
KdO (faible affinité)
KdF(forte affinité)
Sauvage
2-Mouvements de domainesAllostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
Ex : Maltose Binding Protein
ﾲ
KdF
Muté : renforcement de la population à haute affinité
ﾲ
KdO (faible affinité)
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
2 Conformations : rôle du ligand ?
Ex : Maltose Binding Protein
Conclusion : une activité fonctionnelle n'est pas nécessairement optimale dans la nature …
… simplement adaptée aux contraintes de l'environnement (physiologie, métabolisme)
Mécanisme très simple d'adaptation pour l'évolution
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
Beaucoups de conformations même en absence de ligand?
2-Mouvements de domaines
Allostérie ou ajustement induit
Beaucoup de conformations même en absence de ligand?
Potentialités pour gagner de nouvelles fonctions (ex GPCR prot Mb à 7ST) :
AVANTAGE EVOLUTIF
III- La classification des mouvements des protéines
1-Mouvement globaux
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov
Charnières et cisaillement
Ajustement induit et Allostérie
3-Mouvements internes
Vibrations (fs - ps)
Angles dièdres et transitions conformationnelles (ns-µs)
Allostérie (µs-ms)
Repliement des protéines (µs-s)
3-Mouvements internes
Vibrations (10 fs à 10 ps)
liaisons, angles, certains mouvements dièdres
Hautes fréquences
Faibles amplitudes
Structure covalente
Etudiée par spectroscopie infrarouge (chimistes)
Pas très intéressant pour la fonction des protéines
3-Mouvements internes
Vibrations (10 fs à 10 ps)
liaisons, angles, certains mouvements dièdres
Hautes fréquences
Faibles amplitudes
Structure covalente
Etudiée par spectroscopie infrarouge (chimistes)
Pas très intéressant pour la fonction des protéines
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Exemple 1 : 40 ps de la vie de l'ADN
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Exemple 1 : 40 ps de la vie de l'ADN:
Exemple 2 : 100 ps de la vie d'un peptides
Squelette
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Exemple 1 : 40 ps de la vie de l'ADN:
Exemple 2 : 100 ps de la vie d'un peptides
Chaînes latérale
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Profil énergétique
Valeurs d'angle les moins probables énergies les plus forteMesures de thermodynamiqueOu calculs de mécanique quantiqueOu statistiques à partir des structures
0 50 100 150 200 250 300 3500
5
10
15
20
25
Valeur de l'angle dièdre
Ene
rgie
kJo
ule
/mo
le
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Profil énergétique
Valeurs d'angle les plus probables énergies les plus faiblesMesures de thermodynamiqueOu calculs de mécanique quantiqueOu statistiques à partir des structures
0 50 100 150 200 250 300 3500
5
10
15
20
25
Valeur de l'angle dièdre
Ene
rgie
kJo
ule
/mo
le
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Profil énergétique (zoom)
Valeurs d'angle les plus probables
Entre 100 et 140 degOscillations très facile (fonction de la T°C)= Vibration
50 70 90 110 130 150 170 1900
5
10
15
20
25
Valeur de l'angle dièdre
Ene
rgie
kJo
ule
/mo
le
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Transition d'angles dièdres (ns-µs)
Profil énergétique
50 100 150 200 250 3000
5
10
15
20
25
Valeur de l'angle dièdre
Ene
rgie
kJo
ule
/mo
le
Passage d'une barrière d'énérgie
Beaucoup plus rare
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Transition d'angles dièdres (ns-µs)
20 ns de la vie d'un peptide
Nature Brownienne de ce mouvement
3-Mouvements internes
Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)
Transition d'angles dièdres (ns-µs)
Angles dièdres
Mvt des chaînes latérales (portes, catalyses : 1 ns)
Mvt des boucles : 10 ns -
Mvt des structures secondaires 100 ns ...
Importance des glycines et des prolines
Zone étudiées par les simulations numériques, croisement avec des informations de RMN
3-Mouvements internes
Allostérie, ajustement induit : (µs-ms)
Cf. avant
Zone la plus intéressante
Etudes expérimentales indirectes Cristallo : MolmovDB (plusieurs structures et interpolation)
Phospho-Fructo kinase
Glucose-Galactose Binding Protein Myosine (coquille St Jaques)
3-Mouvements internes
Allostérie, ajustement induit : (µs-ms)
Cf. avant
Zone la plus intéressante
Etudes expérimentales indirectes Cristallo : MolmovDB
Ou difficile RMN
Nitrogen Regulatory Protein C (NtRC) System à 2
composantes :
Régulateur de réponse
3-Mouvements internes
Allostérie, ajustement induit : (µs-ms)
Cf. avant
Zone la plus intéressante
Etudes expérimentales indirectes Cristallo : MolmovDB
Ou difficile RMN
Nitrogen Regulatory Protein C (NtRC) System à 2
composantes :
Regulateur de réponse Rex : Relaxation due à l'échange (exchange) conformationnelle
3-Mouvements internes
Repliement, assemblage protéique µs-s
Machines moléculaires, intégration cellulaire ..
Zone très intéressante : de plus en plus accessible expérimentalement.
Cinétiques, stop flow, imagerie, camera rapidesBiophysicochimie-cellulaire intégrée
III- La classification des mouvements des protéines
1-Mouvement globaux
2-Mouvements de domaines
La base de données Molmov
Charnières et cisaillement
Ajustement induit et Allostérie
3-Mouvements internes
Vibrations (fs - ps)
Angles dièdres et transition conformationnelle (ns-µs)
Allostérie (µs-ms)
Repliement, assemblage des protéines (µs-s)
IV- La description des mouvements
1-Mouvements aléatoires
Aléatoire mais pas n'importe comment!
Amplitudes
Temps caractéristiques
2-Corrélations
Les fonctions de mémoire
Paramètres d'ordre
Le « Model-Free » de « Lipari Zabo »
3-Lien avec l'expérience