Relation Structure-Dynamique-fonction · I-Intro II-Retour sur l'origine expérimentale des...

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



Translation

Rotations


Translation moléculaire

Loi de la diffusion : Stoke-Einstein

Vitesse de diffusion de la molécule


Dépend de la température





Dépend de la température (de l'énergie cinétique)






Viscosité (limite le mouvement)






Viscosité (limite le mouvement)

Pour une sphère de rayon r


Loi de la diffusion : Stokes-Einstein



Billes de latex 0,8 µm


Loi de la diffusion : Stokes-Einstein

Nature du déplacement : diffusion Brownienne

1-Mouvement globaux




Trajectoire brownienne : mouvement « aléatoire »

Liée à une probabilité de choc avec les molécules d'eau

1-Mouvement globaux

HIV1 protéase




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




Diffusion de protéines fluorescentes à la surface de cellules (Fluorescence Recovery After Photobleaching)

1-Mouvement globaux



Nature du déplacement :

diffusion Brownienne

Brownienne ?

Diffusion de protéines fluorescentes à la surface de cellules

(single) Particle Tracking

1-Mouvement globaux




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




Non Brownienne

Diffusion de protéines fluorescentes dans des cellules : (single) Particle Tracking

Présence de « radeaux lipidiques » (CIML Luminy)

1-Mouvement globaux




Non Brownienne

Diffusion de protéines fluorescentes dans des cellules : (single) Particle Tracking

Diffusion limitée par le cytosquelette (CIML Luminy)



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


Souvent dérivé de façon approximatif de Stokes-Einstein


Temps qui caractérise la rotation de la molécule sur elle même (env 40° en moyenne)

1-Mouvement globaux





Mesuré expérimentalement

RMN

Fluorescence (Mesure d'anisotropie de fluorescence)

1-Mouvement globaux






RMN

Fluorescence (Mesure d'anisotropie de fluorescence)

Nature Brownienne de ce mouvement

Réorientation « aléatoire »

1-Mouvement globaux







1-Mouvement globaux







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







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







Une petite molécule à plus rapidement fait le tour!

c : une grandeur essentielle

pour la RMN




La base de données Molmov

Charnière et cisaillement

Ajustement induit et Allostérie


Vibrations (fs - ps)

Angles dièdres et transitions conformationnelles (ns-µs)

Repliement des protéines (µs-s)

T-RNA dans le ribosome


La base de données Molmov (2003)



Une protéine et plusieurs structures

GroEl monomère




GroEl : double heptamére




200 exemples décortiqués





Des 1000er de « Morph » soumis par les utilisateurs





Des 1000er de « Morph » soumis par les utilisateurs

Classification


Charnières et cisaillements



Glutamine Binding Protein

Quelques liens interdomaine

30° de rotation

Grands mouvements sur très peu d'angles de torsion*

*torsion = dièdre



Glissement d'interface les une sur les autres

Beaucoup de résidus impliqués

Réorganisation plus diffuse le long de la chaîne protéique

Réorganisation des intéractions



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)


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


Classification


Allostérie ou ajustement induit

2 Conformations : rôle du ligand ?

O

FL

ﾲ

?

O : ouvert; F: fermée; L: ligand




ﾲ

OL

KdO




F

ﾲ

KdF




ﾲ

ﾲ

KdF

KdO




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 ?




ﾲ

ﾲ

KdO

KdF

KdO vs KdF ?




Ex : Maltose Binding Protein

Maltose




Objectif : Amélioration Kd. Où muter ?




Objectif : Amélioration Kd. Où muter ?

A l'opposée du site de fixation !

Gros résidus

Kd x 100

2-Mouvements de domainesAllostérie ou ajustement induit



ﾲ

ﾲ

KdO (faible affinité)

KdF(forte affinité)

Sauvage

2-Mouvements de domainesAllostérie ou ajustement induit



ﾲ

KdF

Muté : renforcement de la population à haute affinité

ﾲ

KdO (faible affinité)





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



Beaucoups de conformations même en absence de ligand?



Beaucoup de conformations même en absence de ligand?

Potentialités pour gagner de nouvelles fonctions (ex GPCR prot Mb à 7ST) :

AVANTAGE EVOLUTIF


1-Mouvement globaux



Charnières et cisaillement




Angles dièdres et transitions conformationnelles (ns-µs)

Allostérie (µs-ms)

Repliement des protéines (µs-s)


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


Vibrations d'angles dièdres (10 ps-1ns)

Exemple 1 : 40 ps de la vie de l'ADN



Exemple 1 : 40 ps de la vie de l'ADN:

Exemple 2 : 100 ps de la vie d'un peptides

Squelette



Exemple 1 : 40 ps de la vie de l'ADN:

Exemple 2 : 100 ps de la vie d'un peptides

Chaînes latérale



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




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


Ene

rgie

kJo

ule

/mo

le



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


Ene

rgie

kJo

ule

/mo

le



Transition d'angles dièdres (ns-µs)


50 100 150 200 250 3000

5

10

15

20

25


Ene

rgie

kJo

ule

/mo

le

Passage d'une barrière d'énérgie

Beaucoup plus rare




20 ns de la vie d'un peptide





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


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)



Cf. avant


Etudes expérimentales indirectes Cristallo : MolmovDB

Ou difficile RMN

Nitrogen Regulatory Protein C (NtRC) System à 2

composantes :

Régulateur de réponse



Cf. avant


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


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


1-Mouvement globaux



Charnières et cisaillement




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

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