Spécificités de...

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  • V. TRAN

    (Roscoff avril 2014)

    Spcificits de linteraction protines-sucres en

    modlisation molculaire

    Unit Fonctionnalit et Ingnierie des Protines

    ATELIER GlycoOuest - Interactions Sucres-Protines

  • Unit Fonctionnalit et Ingnierie des Protines

    Spcificits des sucres(nomenclature, terminologie) partager un langage commun avec les chimistes des sucres

    Comparaison protines-sucres2 communauts : des terminologies identiques mais des sens diffrents pour viter les bourdes initiales

    Spcificits de linteractionpour bien dmarrer la modlisation, des bauches de stratgie

  • biopolymres: suite de monomres

    (rgles de construction selon les types de polymres)

    Organisation des biopolymres: Structure et fonction insparables

    Notions (alphabet,

    rgles de constructions (mcano),

    squences)

    caractristiques des glucides :* trs grande richesse de lalphabet

    * Plusieurs possibilits de liaisons osidiques

    Rappels

    Comparaison protines-sucres, les acteurs de linteraction

    Pourquoi cette richesse?

    Liaisons peptidiques et osidiques; les diffrences topologiques?

  • Simplicit fonctionnelle des sucres

    Glucides : groupements fonctionnels les plus courants ?

    avec la liaison C-OH

    avec la liaison C=O

    Molcules organiques avec des atomes de carbone porteurs

    - fonction aldhyde ou ctone

    - et fonctions alcool (primaire ou secondaire) sur (tous) les autres

    drivs polyhydroxyls (polyols) daldhydes ou de ctones.

  • Composition et dfinition des oses

    * units de base

    * en gnral : de 3 7 atomes de carbone

    - au moins 2 fonctions alcool (dont une fonction alcool primaire)

    - une fonction rductrice carbonyle : - aldhyde (-CHO) aldose

    - ctone (>C=O) ctose

    les 2 plus petits (3 atomes de carbone)

    Glycraldhyde(aldotriose)

    Dihydroxyactone(ctotriose)

  • Configuration et isomrie des oses

    pour le plus petit aldose (aldotriose) :

    1 carbone avec 4 substituants diffrents

    *1

    2

    3

    carbone chiral reprsentation spatiale ncessaire: stroisomrie (3D)

    reprsentation du coin volant (flying wedge)reprsentation de Cram (UCLA, 1953)

    Reprsentation spatiale (3D) de laldotriose : 2 nantiomres *

    seule diffrence marquante : proprit physique du pouvoir rotatoiredviation la lumire polarise droite (D-dextrogyre) ou gauche (L-lvogyre)

  • Nomenclature des nantiomres (ou configuration absolue)

    * configuration absolue sans rapport avec le signe de la rotation optique

    * se dduit par filiation chimique avec une structure de configuration connue

    nomenclature des molcules chirales : rgle de Cahn-Ingold-Prelog (C.I.P)

    dsignation sans ambigut tous les stro-isomres car chaque carbone asymtrique (chaque lment de chiralit) aura sa propre distinction (R ou S).

    formes linaires : projection de Fischer

    par rapport au coin volant, rotation de 90 suivant laxe vertical dans le plan

    axe dlongation de la chane vertical

    carbone en haut (en arrire du plan de la feuille) : numro 1* au groupe fonctionnel de plus haut tat doxydation

    1

    3

    carbone en bas (en arrire du plan de la feuille) : dernier numro

    substituants latraux (en avant du plan de la feuille)* localisation (gauche/droite) : information sur la configuration absolue

  • Les oses (sries drives de laldotriose) 2 points de dpart:

    D-glycraldhyde (D-aldotriose)

    L-glycraldhyde (L-aldotriose)

    R (D)

    * les produits drivs du D-aldotriose gardent le symbole D par filiation

    * mais peuvent perdre leur caractristique dextrogyre

    S (L)

    pour les glycraldhydes et drivs (reprsentation Fischer):

    * Le symbole D correspond OH droite dans la (n-1)me position

    * le symbole L correspond OH gauche dans la (n-1)me position

    pour les glycraldhydes :

    * correspondance D (dextrogyre, dviation la lumire polarise droite)et configuration absolue R du carbone asymtrique fortuite !

    Rgles applicables la srie L

  • Reprsentation de Fischer pour les oses plus longs

    la chane carbone (verticale), devenant plus longue, elle sera vue de faon convexe (cf. rgles de C.I.P.)

    1

    2

    3

    4

    chaque C en plus : insertion juste aprs le groupe carbonyle

    3

    2

    1exemple

    1 carbone asymtrique(2 stroisomres)

    2 carbones asymtriques(4 stroisomres)

    **

    *

    Les 2 derniers carbones conservent la filiation D

    aldottrose

    (symbole D/L correspond OH droite/gauche dans la (n-1)me position)

  • D-rythrose

    Filiation des aldoses (srie D)

    D-glycraldhyde (D-aldotriose)

    D-throse

    D-ribose D-arabinose D-xyloseD-lyxose

    D-gulose

    D-idose

    D-galactose

    D-talose

    D-mannose

    D-glucose

    D-altrose

    D-allose

    D-aldot

    tr

    ose

    D-aldop

    ent

    ose

    D-aldoh

    exos

    e

  • * forme cyclique par raction interne dhmi-actalisation

    Formes cycliques des oses

    ractivit du carbonyle proximit dhydroxyles * 2 types prsents dans les oses * mais hydroxyles lis entre eux cyclisation

    groupe carbonyle (C1)

    groupes alcool secondaire(C2,C3,C4,C5)

    alcool primaire (C6) mais bien moins favorable ( cycles 7 carbones trs rares)

    critre proximit: C4,C5

    Tautomrie (formes linaire et cyclique)

  • Exemple dhmi-actalisation C5-C1 dun aldohexose

    basculement90

    1

    5

    2

    4

    3

    pour cycliser, tourner autour de C4-C5 pour prsenter lOH secondaire face au carbonyle

    D-glucopyranose (pyrane)

    1

    5

    Fischer

    Tollens

  • Hmi-actalisation C5-C1 dun aldohexose (illustration 3D)

    basculement90

    courbure

    pour cycliser, tourner autour de C4-C5 pour prsenter lOH secondaire proximit du carbonyle

    1

  • Autre exemple: hmi-actalisation C4-C1 dun aldohexose

    Basculement90

    pour cycliser, tourner autour de C3-C4 pour prsenter lOH secondaire face au carbonyle D-glucofuranose

    (furane)

    1

    4

    Fischer

    Tollens

  • Hmi-actalisations C5-C1 et C4-C1 dun aldohexose 2 possibilits

    dans les 2 cas, C1 devient asymtrique (par perte de la double liaison)

    2 stroisomres : C1 carbone anomrique, anomres et (les formes et ne sont pas nantiomres mais pimres)

    linterconversion des formes et passe par la forme linaire

    pH 7, formes cycliques prpondrantes (99%) dont 2/3 forme et cycle 6 prpondrant / cycle 5

    pH basique, forme linaire prpondrante (99%)

  • Reprsentation de Haworth pour les cycles

    * reprsentations de Fischer (ou Tollens) inadaptes (?) pour les cycles

    * a priori, le plan de la feuille aurait t une bonne solution pour les cycles

    mais difficile de voir ce qui est dessus et dessous de la feuille

    (or essentiel pour reprsenter les substituants des C asymtriques)

    * reprsentation semi-perspective perpendiculaire au plan de la feuille

    Conventions:

    * liaisons devant le plan moyen reprsentes par des traits gras* liaisons derrire le plan moyen reprsentes par des traits fins* carbone C1 (le plus oxyd) est lextrme droite

    reprsentation de Haworth: (assez approche de conformation 3D)

    reprage facile groupements hydroxyles en dessus/dessous du plan du cycle

    1

  • Relations Fischer Tollens - Haworth pour les cycles

    hmi-actalisation C5-C1 dun aldohexose

    D-glucose (linaire) D-glucopyranose (cyclique)

    TollensHaworth

    D-glucopyranose D-glucopyranose

    1

    1

    1

    C1 (droite)

    liaisons devant

    liaisons derrire

    C1 anomrie (/) C5 srie D (droite en Fischer ou Tollens)

    (D) (D)5 5

    *

    Fischer

  • Reprsentation de Haworth pour les cycles

    Varit des configurations cycliques ( 6) des monosaccharides

    4 molcules : hmi-actalisation dun ctohexose (C6-C2)

    Au total: 4 x 16 molcules vous de jouer!

    4 molcules : hmi-actalisation dun aldopentose (C5-C1)8 molcules : hmi-actalisation dun aldohexose (C5-C1)

  • Varit des configurations des cycles ( 5) des monosaccharides

    Reprsentation de Haworth pour les cycles

    cycles 5 atomes

    (reprsentation

    a-D uniquement)

    Manque:

    formes -L, -D, -L

    Au total 4x 20 molcules vous de jouer!

    8 molcules : hmi-actalisation dun aldohexose (C4-C1)4 molcules : hmi-actalisation dun aldopentose (C4-C1)

    4 molcules : hmi-actalisation dun ctohexose (C5-C2)2 molcules : hmi-actalisation dun ctopentose (C5-C2)

    2 molcules : hmi-actalisation dun aldotetrose (C4-C1)

  • En cas de doutes

  • Variabilit des configurations cycliques (5, 6 atomes) de monosaccharides

    Rsum : reprsentation de Haworth pour les cycles

    particularit du "mcano" des sucres

    Trs grande variabilit des configurations cycliques de dpart :

    144 units de dpart

    * Toutes ne sont pas naturelles

    * mais on ne parle (pour linstant) que de configurations (topologiques) !

    * une configuration peut avoir plusieurs conformations (gomtries spatiales)

    Sources de variabilit configurationnelle:

    * carbones asymtriques* conditions de cyclisation (anomrie et )

  • Proprit physique anormale : mutarotation

    * quilibres formes linaires et cycliques* Entre formes cycliques pyranose, furanose* quilibre entre les formes et

  • Cas dun hexose : D glucose

  • Protines : 20 acides amins

    Variabilit configurationnelle : comparaison proteines / glucidesles unites de base: acides amins et oses

    Glucides : oses (monosaccharides)- formes linaires- formes cycliques

    cycles 5 (furanose)cycles 6 (pyranose)

    - trs grande variabilit des monomres(essentiellement due aux carbones asymtriques)

    carbone central () portant :- groupement amine (NH2)- groupement acide (acide carboxylique)- portion variable (radical) ou chane latrale

    si R H, le carbone est asymtrique (S selon C.I.P. Cahn-Ingold-Prelog)

    tous les AA naturels sont en configuration L

  • Conformation 3D des oses (pour les cycles 6 atomes)

    Conversion 3D de Haworth cycles 5 et 6 plans ?

    Impossible !! (angle de valence idal : 109.47)

    dformation dans lespace

    Plusieurs conformations stables (minima):les formes chaise et bateau (mais moins stables)(disposition cyclohexane mais un des C remplac par un O)

    Cas des cycles pyranose

    positions axiale et quatoriale uniquement dans le cas de la conformation chaise

  • forme 4C1 (O5 en haut du plan): tous les substituants en position quatorialeforme 1C4 (O5 en bas du plan): tous les substituants en position axiale

    En prsence de substitutions sur un ou plusieurs atomes C (cas desmonosaccharides) ces gomtries vont tre diffrencies :

    remplacement dun hydrogne par un groupe hydroxyleen position axiale (a)

    ou en position quatoriale (e).

    (a)

    (e)

    Cas du -D-glucose:

    (formes 4C1

    et 1C4 ?)

    Pour des raisons dencombrements striques, le -D-glucose est nettementplus stable en conformation 4C1.

    (e)

    (e)

    (e)

    (e)

    (a)

    (a)(a)

    (a)

    Conformation 3D des oses (pour les cycles 6 atomes)

  • Autre interprtation des formes cycliques (cas des formes pyranoses):

    - cycle driv du cyclohexane(asymtrie ponctuelle lie loxygne intra-cyclique)

    plateau essentiellement hydrophobe

    - des groupements hydroxyles plus ou moins au pourtour(la majorit dans le plan du plateau)

  • pour les cycles 6 atomes (cyclohexane):

    * formes chaise minima avec puits nergtiques prononcs

    caractristiques didres intra-cycliques (alternance +/- 60)

    * pour passer dune forme chaise une autre

    distorsions de certains paramtres internes (angles de valence)

    * passage par tats intermdiaires (formes flexibles dont twist et bateau)

    infinit de solutions sans variations nergtiques

    contrle par un paramtre : phase de pseudo-rotation (360)

    * entre formes chaise et flexibles: dformations continues

    Contrle analytique des gomtries : paramtres de puckering

    variabilit conformationnelle des cycles

  • variabilit conformationnelle :angles didres intra-cycliques des formes pyranoses

  • JE. Kilpatrick, KS. Pitzer & R. Pitzer. J. Am. Chem. Soc. 69, 2483 (1947).

    A General Definition of Ring Puckering Coordinates, D. Cremer and J.A. Pople, J. Am. Chem. Soc. 97, 1354-1358 (1975).RING - A Coordinate Transformation Program for Evaluating the Degree and Type of Puckering of a Ring Compound, D. Cremer, Quantum Chemical Program Exchange, No. 288, 1-8 (1975).

    Dformation des cycles. Expression analytique (J. Pople, D. Cremer)

    http://smu.edu/catco/ring-puckering.html

    Figure 1. Pseudorotational cycle of tetrahydrofurane (O is atom #1; clockwise numbering around the ring). According to the rules for ring conformations (see below) the Cs-symmetrical envelope form with the O atom at the apex of the ring is located at 2 = 0. The C2-symmetrical twist form of tetrahydrofurane is located at 2 = 90. 10 envelope (E) and 10 twist (T)

    Applicable tous les cycles (avec ou sans symtrie)

    Intrt pour les acides nucliques : formes ribofuranose et drivs

  • Dformation des cycles (pour les cycles 6 atomes)

    Jeu de coordonnes polaires:

    * phase pseudo-rotation ()* angle dformation () pour passer entre les 2 formes chaise (0 )* Q : dviation moyenne des positions atomiques hors du plan

    Gomtries dcrites

    - chaise (chair) C- bateau (boat) B- twist (skew) S- enveloppe (envelop, sofa, half-boat) E- demi-chaise (half-chair) H

  • Dformation des cycles (pour les cycles 6 atomes)

    Reprsentation globale

    http://smu.edu/catco/ring-puckering.html

  • http://www.ric.hi-ho.ne.jp/asfushi/

    Mesure de la dformation des cycles ?

    mthode moderne : internet

    mthode pdagogique : programmation persoRING - A Coordinate Transformation Program for Evaluating the Degree and Type of Puckering of a Ring Compound, D. Cremer, Quantum Chemical Program Exchange, No. 288, 1-8 (1975).

  • Autre degr de libert conformationnelle : hydroxyles primaires

    plus gnralement : prsence dune liaison C-C simple hors des cycles: (3 positions dcales cf. barrire de rotation thane)

    Excessivement important dans la modlisation des monosaccharides

    orientations manuelles des groupes hydroxyles toujours ncessaires et fortementrecommandes car :

    * les contraintes de cyclisation ne leurs sont pas applicables

    * la directivit des LH qui dcoulent des groupements hydroxyle ncessite la plusgrande attention.

    Seul cas de relle flexibilit conformationnelle

    .

  • * Rotation autour liaison C5-C6 avec 3 positions privilgies(substituants dcals)

    * La propagation hors du cycle des liaisons C5-C6 et C6-O6 peut sefaire en rfrence, soit latome O5 soit latome C4.

    * La nomenclature adopte tient compte des deux angles didresO5-C5-C6-O6 et C4-C5-C6-O6.

    Autre degr de libert conformationnelle : hydroxyles primaires

    trois conformations possibles avec valeurs suivantes :

    [O5-C5-C6-O6]= -60 (forme gauche ou g)[C4-C5-C6-O6]= +60 (forme gauche + ou g): conformation gg

    [O5-C5-C6-O6]= 180 (forme trans ou t)[C4-C5-C6-O6]= -60 (forme gauche - ou g): conformation tg

    [O5-C5-C6-O6]= +60 (forme gauche + ou g)[C4-C5-C6-O6]= 180 (forme trans ou t) : conformation gt

    En recherche systmatique, 3 conformations tester !!!

  • Autre degr de libert conformationnelle : hydroxyles primaires

    GT

    GG

    TG

  • Monosaccharides : - hydroxyles primaires trs flexibles - dformation faible des cycles (plutt invariants)

    mais des ordres de grandeurs nergtiques trs diffrents

    Variabilit conformationnelle : comparaison proteines / glucidesles units de base: acides amins et oses

    Acides amins: espace conformationnel de la chane latrale (rotamres)

    cas du tryptophane

    possibilits de rotation de 2 angles didres

  • - hydroxyles primaires trs flexibles (et faible cot nergtique) explorer (en relation avec la directivit de la liaison hydrogne)

    - dformation des cycles (plutt lexception)formes chaise assez stable

    les causes de dformations :

    groupe(s) substituant(s) volumineux

    cas limite de cyclisation interne

    contexte de fortes contraintes externes

    (site actif catalytique: dformation ncessaire lattaque nuclophile)

    sinon

    problme de champs de forces

    artfact du minimiseur (typique interactions protine sucre)

    aussi bien dun point de vue statique que dynamique, vrifier les raisons plausibles dune dformation de cycle (sinon, probablement bug informatique)

    Variabilit conformationnelle des monosaccharides

  • Spcificit des sucres: liaison osidique (ou glycosidique)

    Condensation doses par formation dune liaison ther

    entre

    - hydroxyle rducteur : OH semi actalique en C1 (aldose) et C2 (ctose) dun ose

    (ractivit de lhydroxyle anomrique)

    - autre hydroxyle dun autre ose (y compris OH semi actalique)

    Formation des biopolymres : (alphabet, rgles de constructions (mcano), squences)

    Sens de propagation primordial : bout rducteur(possibilit de continuer la condensation ou arrt)

    Possibilit de ramification

  • Typologie des liaisons glycosidiques

    OH semi-actalique + alcool prim. dimre rducteur (1 OH semi-actalique libre)

    OH semi-actalique + alcool sec. dimre rducteur (1 OH semi-aclique libre)

    2 x (OH semi-actalique ) dimre non-rducteur (OH semi-actalique non libre)

    le cycle donnant lOH semi-actalique fige son anomrie ( ou )

  • nomenclature et convention

    critres : - noms des oses (celui avec fonction semi-actalique gauche + osyl)- anomrie et numro de lose fournissant la fonction semi-actalique - numro de latome de lautre ose en liaison- terminaison : ose si loligomre reste rducteur

    oside si loligomre est non rducteur

    Glucopyranosyl glucopyran

    (16) oseexemple de la liaison en haut :

    ****

    6

    exemples juste en dessous (vert)

    4

    Glucopyranosyl(1 1)glucopyranosideexemple tout en bas

    1

    Glucopyranosyl(14)glucopyranose

    La plupart du temps: 2 angles didres caractrisent la liaison

  • (,) ou (,) ?

    Propagation polymrique: liaison peptidique vs liaison osidique

    Rappel liaison peptidique: typologie diffrente (pas de ramification)

    entre le groupement acide (COOH) d'un acide amin et le groupement amine (NH2) dun autre acide amin.

    liaison osidique: ramification possible (plusieurs hydroxyles), arrt possible

  • liaison peptidique : angle de torsion (autour C-N)

    chaque AA : deux angles de torsion: (autour N-C ) et (autour C-C)

    N-terC-ter

    plan rigide intgrant 6 atomes dont les deux atomes impliqus dans la liaison

    Cas le plus frquent : = 180 (conformation trans)

    Cas beaucoup plus rare : = 0 (conformation cis)

    Cas de liaison peptidique angles de torsion essentiels

    Variabilit de propagation 3D: liaison peptidique vs liaison osidique

    variabilit conformationnelle intra-unit: spcifique chaque acide amin

  • Les angles de torsion et sont reports sur une table

    Diagramme de Ramachandran (1963)

    Toutes les valeurs de et ne sont pas possibles car certaines conduisent des conflits striques entre atomes trop proches (nergtiquement trs dfavorables)

    Contacts possibles entre atomes des chanes latrales

    3 zones nergtiquement favorables

    En reportant les points correspondant chaque couple (,), on ne devrait pas retrouver de points hors de ces zones ??

    exceptions: Glycine et Proline

    Cas de liaison peptidique (suite)

  • Cas de liaison osidiques: angles de torsion essentiels ( et ) inter-units

    * cohrent avec la rigidit des cycles de base

    *degrs de libert les plus importants pour la propagation de la chane

    -hors contexte protique (structures rgulires des polysaccharides)

    -en contexte protique (ex: remplissage dune crevasse catalytique)

    Variabilit de propagation 3D: liaison peptidique vs liaison osidique

    exemple du cellulose

    Flexibilit intra-unit( et ) liaison peptidique

    Flexibilit inter-units( et ) liaison osidique

  • Cas de liaison osidiques: angles de torsion essentiels ( et ) inter-units

    Reprsentations 2D (|) (similaire la carte de Ramachandran)

    selon: les cycles de part et dautre

    les conformations des cycles impliqus

    la liaison (anomrie /; mode de fixation (14, etc)

    stratgies de prise en compte des autres degrs de libert

    (cartes rigides, semi-relaxes, relaxes)

    extension possible carte 3D (||)

    Variabilit de propagation 3D: liaison peptidique vs liaison osidique

  • Exemple de cartes ( et ) semi-relaxes liaison osidique

    4C1Glucopyranose (14) glucopyranose 4C

    1

    Effets de la dformation second cycle (2 formes skew)formes et position des minima

    G. ANDRE, & al. " - Biopolymers, 39, 737-751 (1996)

  • Interprtation des cartes ( et ) liaison osidique

    Interprtation moduler selon la finesse des cartes ( et )

    approche oligomre

    * garde-fou des zones interdites

    (si critre de stabilit des conformations des cycles accept)

    (interprtation assez similaire aux cartes de Ramachandran)

    * points de dpart des minimisations nergtiques

    surtout dans un contexte trs contraint :

    plusieurs hypothses de conformation liaison,

    rorientations manuelles des hydroxyles

    minimisation

    vrification que les gomtries finales sont dans les zones permises

    approche polymre

    * tirages (alatoire ou rgulier) de couples de points ( et ) pour mimer lapropagation rgulire ou statistique de polysaccharides

  • Les polysaccharides (structures rgulires dhomopolysaccharides)

    un faible nombre de schmas possibles

    A - Structure alterne

    D - Structure ramifie complexe

    B - Structure en blocs

    C - Structure linaire complexe

    E - Structure interrompue branche

    Les polysaccharides (classement htropolysaccharides)

    A/ hlice simple (cellulose) : 2 rsidus par tour

    B/ simple hlice (amylose) : 6 rsidus par tour

    C/ double hlice (amylose) : 6 rsidus par tour,

    organisation diffrente des chanes

  • - effet hydrophobe

    les radicaux hydrophobes se regroupent lintrieur de la protines (maximisation des contacts vdW pour minimiser leurs interactions avec leau)Inversement, radicaux hydrophiles la priphrie (contact avec l'eau)

    - liaisons ioniques

    entre radicaux ioniques positifs et ngatifs

    - liaisons hydrogne

    existent aussi au sein de la protine(intra struct. second. et inter segments)

    - ponts disulfure

    Dans les protines: les interactions importantes

    liaison covalente entre 2 rsidus cystines proximit spatiale (aucun lien avec la disposition dans la chane)

  • Spcificits de linteraction protine-sucre

    Dans linteraction protine/sucre: 2 termes nergtiques importants

    liaisons hydrogne

    Nature des cycles osidiques

    - cycle driv du cyclohexane(asymtrie ponctuelle lie loxygne intra-cyclique)

    plateau essentiellement hydrophobe

    - des groupements hydroxyles (+/-) au pourtour(la majorit dans le plan du plateau)

    drivs polyhydroxyls (polyols) daldhydes ou de ctones

    contacts hydrophobes (dont stacking avec rsidus aromatiques)

  • Rsidus chaine latrale aromatique et hydrophobe

    stacking

    structuration protine et arrimage des ligands

    * extension aux cycles osidiques sans noyau aromatique.

    nergies de stacking plus faibles mais significatives ( LH forte),

    dpendantes des substituants axiaux sur ces cycles osidiques

    Rle: interaction frquente dans les sites darrimages protine-glucide

    Bonne prise en compte du phnomne de stacking avec les lois de mcaniquemolculaire malgr son caractre lectronique.

  • Liaison Hydrogne (LH)

    forme entre:un donneur avec H li un lment fortement lectrongatif (O, N, F)un accepteur porteur dun doublet lectronique libre (base de Lewis).

    Origine: forte lectrongativit de loxygne forte polarisation des liaisons CO et OH prsence de charges partielles sur O() et H (+)

    Groupements concerns: OH, NH (amines) mais aussi leau (HOH)

    Energie bien moins forte quune liaison covalente mais significative

    ~ 4 5 kcal.mol-1 pour une LH forte (distance OO ~2.8A)

    Difficults dvaluations:

    - difficilement dissociables entre elles (notion de rseaux)- difficilement quantifiables car large plage de distances- seul terme nergtique anisotrope : multiplicit et directivit

    Automatisation quasi impossible (directivit et artfacts de minimisation) : tests plusieurs orientations et cohrence du rseau LH

  • Spcificits de linteraction protine-sucre

    * Rechercher systmatiquement les rsidus susceptibles de faire un stacking

    * Identifier les LH directs ou via le pontage dune molcule deau

    pdb :4C4C (CELLULOSE 1,4-BETA-CELLOBIOSIDASE) Trichoderma reesei

    selon Cazy:GH7 clan GH-B

    4 stacking sur 9

  • pdb :4C4C (CELLULOSE 1,4-BETA-CELLOBIOSIDASE) Trichoderma reesei

    Rseau trs dense de LH

  • pdb :4C4C (CELLULOSE 1,4-BETA-CELLOBIOSIDASE) Trichoderma reesei

    plusieurs conformations dhydroxyles primaires

    dformation dun cycle au sous-site 1

  • pdb :4C4C (CELLULOSE 1,4-BETA-CELLOBIOSIDASE) Trichoderma reesei

    de la spcificit des sites catalytiques

  • Modlisation de linteraction protine-sucre

    Les priorits (en vrac)

    - avoir une structure protique fiable (RX et bonne prcision)

    un bon modle de dpart

    - topologie du site catalytique et les sous-sites de fixation

    savoir o agir in silico

    - reprer des oses, des fragments doses ou des inhibiteurs

    comment accrocher les (premires) units de base

    - tudier la propagation de la chane osidique : cartes (|)

    priorit la liaison osidique; ngliger la dformation des cycles

    tester les minima, la compatibilit de la crevasse/nature des liaisons

    - facteurs de stabilisation des oses dans leurs sous-sites

    stacking, orientation (manuellement) des OH (ct sucres)

    chaines latrales (ct protines)

    - si ncessaire, prendre en compte la dformation des cycles

  • Stabilit de la liaison osidique

    La liaison ther est rompue par hydrolyse les molcules de dpart retrouvent leurs fonctions hydroxyle

    Liaison relativement stable pH7 mais moins que dautres comme liaison peptidique, carboxyl-ester (glycrides), phospho-ester (glycrophospholipides)

    probablement une bonne faon de garder en rserve des molcules disponibles

    Hydrolyse enzymatique

    Activit trs intressante comprendre et mimer

    - large palette denzymes de coupure (hydrolases) des liaisons glycosidiques(glycosidases) (parmi le peu denzymes rpertories)

    - grande variabilit dactivits : des moins spcifiques aux plus spcialises* concernant des classes doses ou leur drivs (ex: hexosaminidases, )* concernant un type dose (ex: glucosidases, galactosidases, xylanases)* concernant la type de liaison et/ou lanomrie (ex: ou -glucosidases, )* concernant des fragments doligosides dans un contexte particulier

    Bref, la nature semble stre dote dune panoplie de machines-outils (protines) pour utiliser ces oligo- et poly-osides de rserve

  • Hydrolyse enzymatique : spcificit des machines-outils

    Comment le site catalytique des hydrolases est adapt lhydrolyse de chaines particulires doligosaccharide

    Cas des alpha-amylases (hydrolyse de cycles glucopyranose lis en alpha)Ici alpha-amylase dorgehydrolyse liaison alpha(1-4)(endohydrolase)

  • Hydrolyse enzymatique : spcificit des machines-outils

    Cas des alpha-amylases (ici alpha-amylase dorge)

    Comment couper une chane au milieu ?

    Forme de la crevasse catalytique: sillon continu et courbe

  • Complmentarit de forme et courbure ncessaire du substrat pour prparer lattaque

  • Hydrolyse enzymatique : spcificit des machines-outils

    Cas dune beta-glucosidase (hydrolyse de cycles glucopyranose lies en beta)Ici beta-glucosidase de Thermus thermophilus (1UG6)(exohydrolase)

    Comment couper une chane une extrmit ?

  • Hydrolyse enzymatique : spcificit des machines-outils

    Cas dune beta-glucosidase (hydrolyse de cycles glucopyranose lies en beta)beta-amylase de thermus thermophilus (exohydrolase)

    Forme de la crevasse catalytique: cul-de-sac

  • forme de la crevasse catalytique: cul-de-sac

    Complmentarit de forme

    Cas dune beta-glucosidase (hydrolyse de cycles glucopyranose lies en beta)beta-amylase de thermus thermophilus (exohydrolase)

  • Modlisation de linteraction protine-sucre

    Un exemple de stratgie du sicle dernier !

    Collaboration INRA Nantes/Carlsberg (B. Svensson)/CNRS Lyon(R. Haser)

    G. ANDRE et al - "Amylose chain behavior in an interacting context. I. Influence of a non-chair ring onthe maltose conformation" - Biopolymers, 39, 737-751 (1996)

    G. ANDRE, et al - "Amylose chain behavior in an interacting context. II. Molecular modeling of amaltopentaose fragment in the barley -amylase catalytic site" - Biopolymers, 49, 107-119 (1999)

    G. ANDRE et al - "Amylose chain behavior in an interacting context. III. Complete occupancy of theAMY2 barley -amylase cleft and comparison with biochemical data" - Biopolymers, 50, 751-762 (1999)

    K. S. BAK-JENSEN et al - "Tyrosine 105 and Threonine 212 at Outermost Substrate Binding Subsites 6and +4 Control Substrate Specificity, Oligosaccharide Cleavage Patterns, and Multiple Binding Modes ofBarley -Amylase 1" - J. Biol. Chem., 279, 10093-10102 (2004)

    G. ANDRE & V. TRAN - "Putative implication of -amylase loop 7 in the mechanism of substrate bindingand reaction products release"- Biopolymers, 75, 95-108 (2004)

    Construction in silico de fragments damylose dans la crevasse catalytique de la-amylase dorge

  • a-amylase dorge (point de dpart)

    remplacement inhibiteurarrimage de substrats DP catalyse phase htrogne?mcanisme dhydrolyse ?

    Complexe AMY2/acarbose tronque-inhibiteur: cycle A dform,

    (,) anormaux

    -relier les 2 sites ?

  • Stratgie darrimage (statique)

    Arrimage de substrats de taille croissante

  • Meilleur arrimage DP3

    non dformation du substrat (cycles A et B)

    DP3 inhibiteur

    carte (|) adapte la liaison (1-4) point de dpart: cycle B en conformation chaiseaccrochage des cycles de part et dautre de B

  • Meilleur arrimage DP5

    dformation cycle A induite par la crevasse

    nouvelles cartes (|) avec dformation des cyclesMme stratgie daccrochage en amont et aval

  • Validation du modle

    superposition des oxygnes exprimentaux

  • Arrimage DP12

    contexte de la crevasse, estimations nergtiques par sous-site

    srie de mutations loin du site catalytique (Carlsberg)

  • Spcificits de linteraction protines-sucres en

    modlisation molculaire

    Unit Fonctionnalit et Ingnierie des Protines

    ATELIER GlycoOuest - Interactions Sucres-Protines

    Merci de votre attention et en route vers de nouvelles aventures scientifiques in silico !