Bioinformatique structurale DR. MAME NDEW MBAYE MBOUP INTRODUCTION LA VIE D’UNE CELLULE DÉPEND DE MILLIERS D’INTERACTIONS ET DE RÉACTIONS CHIMIQUES FINEMENT COORDONNÉES LES UNS AUX AUTRES, DANS LE TEMPS ET DANS L’ESPACE, SOUS L’INFLUENCE DES INSTRUCTIONS GÉNÉTIQUES DE ENVIRONNEMENT. => POSE PLUSIEURS QUESTIONS LA CELLULE ET DE SON INTRODUCTION ÞCOMMENT UNE CELLULE EXTRAIT-ELLE DE SON ENVIRONNEMENT LES NUTRIMENTS ET INFORMATION QUI LUI SONT ESSENTIELS? ÞDE QUELLE FAÇON CONVERTIT-ELLE L’ÉNERGIE STOCKÉE DANS CES NUTRIMENTS? ÞCOMMENT UNE CELLULE TRANSFORME-T-ELLE LES NUTRIMENTS EN STRUCTURES FONDAMENTALES NÉCESSAIRES À SA SURVIE ? ÞDE QUELLE MANIÈRE UNE CELLULE SE RELIE-T-ELLE AUX AUTRES CELLULES POUR FORMER UN TISSU? ÞCOMMENT LES CELLULES COMMUNIQUENT-ELLES LES UNS AVEC LES AUTRES POUR QU’UN ORGANISME PUISSE FONCTIONNER DANS SA GLOBALITÉ ? Þ Nous pouvons répondre à ces questions en nous basant des propriétés individuelles des molécules et des ions INTRODUCTION MAIS AVANT L’ÉTUDE DES DIFFÉRENTS LIENS ET CONNECTIVITÉ QUI EXISTE ENTRE CES DIFFÉRENTES ENTITÉS, IL EST PRIMORDIAL DE RÉALISER UNE ÉTUDE STRUCTURALE. ÞINTERVENTION DE LA BIOLOGIE STRUCTURALE BRANCHE DE LA BIOLOGIE QUI ÉTUDIE LA STRUCTURE ET L’ORGANISATION SPATIALE DES MACROMOLÉCULES BIOLOGIQUES Introduction NOTION : LA VIE APPARUT INITIALEMENT DANS UN ENVIRONNEMENT AQUEUX ET REPRÉSENTANT 70 À 80% DE LA MASSE DE LA PLUPART DES CELLULES . ENVIRON 7% DE LA MASSE DE LA MATIÈRE VIVANTE EST CONSTITUÉE: - ACIDES AMINÉS => CONSTITUANTS DES PROTÉINES - NUCLÉOTIDES => CONSTITUANTS DE L’ADN ET L’ARN - LES LIPIDES => CONSTITUANTS DES BIOMEMBRANES - LES SUCRES => CONSTITUANTS DE L’AMIDON ET DE LA CELLULOSE Introduction NOTION : HYDROPHILES, HYDROPHOBES ET AMPHIPATHIQUE HYDROPHILES => MOLÉCULES QUI AIMENT L’EAU (LES SUCRE SE DISSOLVENT FACILEMENT DANS L’EAU HYDROPHOBES => BIOMOLÉCULES QUI FUIENT L’EAU (LE CAS DES GRAISSES) AMPHIPATIQUES => CONTIENNENT À LA FOIS DES RÉGIONS HYDROPHILES ET DES RÉGIONS HYDROPHOBES ( UTILISÉES POUR LA CONSTRUCTION DES MEMBRANES QUI ENTOURENT LES CELLULES ET LEURS ORGANITES INTERNES) Introduction C’EST DIFFÉRENTES MOLÉCULES DE LA PLUS PETITE À LA PLUS GRANDE INTERVIENNENT DANS LE BON FONCTIONNEMENT DE LA CELLULE, DES TISSUS ET DES ORGANISMES. NOUS ALLONS VOIR DANS CE COURS : - LES STRUCTURES DE CES DIFFÉRENTES BIOMOLÉCULES, - CERTAINES MÉTHODES EXPÉRIMENTALES NÉCESSAIRE POUR LA RÉSOLUTION DE LEURS STRUCTURES RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE LES FORCES D’ATTRACTION FORTES ET FAIBLES ENTRES ATOMES SONT LA « COLLE « QUI LES MAINTIENT SOUS LA FORME DE MOLÉCULES ET PERMET DES INTERACTIONS ENTRE DES MOLÉCULES BIOLOGIQUES DIFFÉRENTES. - FORCES D’ATTRACTION FORTES => FORMATION DE LIAISON COVALENTE - FORCES D’ATTRACTION FAIBLE => FORMATION DE LIAISONS NON COVALENTES CES DERNIÈRES SONT IMPORTANTES DANS LA DÉTERMINATION DES PROPRIÉTÉS ET DES FONCTIONS DES BIOMOLÉCULES ( PROTÉINES, ACIDES NUCLÉIQUES, LES GLUCIDES ET LES LIPIDES) RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE IL EXISTE QUATRE TYPES PRINCIPAUX D’INTERACTIONS NON COVALENTES: - INTERACTIONS IONIQUES - LIAISONS HYDROGÈNE - LES INTERACTIONS DE VAN DER WAALS - LES LIAISONS HYDROPHOBES RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE CHAQUE ATOME A UNE GÉOMÉTRIE ET UN NOMBRE DE LIAISONS COVALENTES DÉFINIS L’HYDROGÈNE, L’OXYGÈNE, LE CARBONE, L’AZOTE, LE PHOSPHORE ET LE SOUFRE SONT LES ÉLÉMENTS LES PLUS ABONDANTS DANS LES MOLÉCULES BIOLOGIQUES. EN RÈGLE GÉNÉRALE, CHAQUE TYPE D’ATOME ÉTABLIT UN NOMBRE CARACTÉRISTIQUE DE LIAISONS COVALENTES AVEC D’AUTRES ATOMES, SUIVANT UNE GÉOMÉTRIE BIEN DÉFINIE, DÉTERMINÉE PAR LA TAILLE DES ATOMES AINSI QUE PAR LA DISTRIBUTION DES ÉLECTRONS AUTOUR DU NOYAU ET LE NOMBRE D’ÉLECTRONS QU’IL EST SUSCEPTIBLE DE PARTAGER. RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE LES ÉLECTRONS NE SONT PAS PARTAGÉS ÉQUITABLEMENT DANS LES LIAISONS COVALENTES POLAIRE. DANS DE NOMBREUSES MOLÉCULES, LES ATOMES LIÉS EXERCENT DES ATTRACTIONS DIFFÉRENTES SUR LES ÉLECTRONS DE LA LIAISON COVALENTE ÞCELA PROVOQUE UN PARTAGE INÉGAL DE CEUX-CI LA CAPACITÉ D’UN ATOME D’ATTIRER UN ÉLECTRON EST SON ÉLECTRONÉGATIVITÉ. UNE LIAISON ENTRE DES ATOMES D’ÉLECTRONÉGATIVITÉS IDENTIQUES OU SIMILAIRES EST DITE NON POLAIRE ;( C-C, C-H) RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE LES ÉLECTRONS NE SONT PAS PARTAGÉS ÉQUITABLEMENT DANS LES LIAISONS COVALENTES POLAIRE. TOUTEFOIS, LORSQUE LES ÉLECTRONÉGATIVITÉS DE DEUX ATOMES DIFFÉRENT, ON DIT QUE LEUR LIAISON EST POLAIRE. UNE EXTRÉMITÉ DE LA LIAISON POLAIRE PORTE UNE CHARGE PARTIELLE NÉGATIVE ET L’AUTRE, UNE CHARGE PARTIELLE POSITIVE. RAPPEL LES LIAISONS ATOMIQUES ET LES INTERACTIONS MOLÉCULAIRE DANS UNE LIAISON O-H PAR EXEMPLE, L’ÉLECTRONÉGATIVITÉ SUPÉRIEURE DE L’OXYGÈNE PAR RAPPORT À L’HYDROGÈNE ABOUTIT À LA PRÉSENCE PLUS DURABLE DES ÉLECTRONS AUTOUR DE L’ATOME D’OXYGÈNE QUE DE L’ATOME D’HYDROGÈNE. => AINSI LA LIAISON 0-H POSSÈDE UN DIPÔLE ÉLECTRIQUE QU’EST CE QU’UNE PROTÉINE ? Les protéines sont des macromolécules biologiques nécessaires au bon fonctionnement des cellules et sont donc des constituants fondamentaux de l’organisme. Rôle d’une protéine Ø Enzyme : accélère les réactions chimiques au sein des organismes vivants (ex: enzyme digestive qui dégrade les aliments) Ø Transport: aide ou effectue le transport de molécules entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule Ø Récepteur: permet la communication entre les milieux extra- et intracellulaire Ø Hormone peptidique : impliquée dans la stimulation de certains organes (ex: ocytocine, stimule les contraction de l’utérus et déclenche l’accouchement) De quoi sont-elles constituées ? 20 types d’acides aminés naturels (essentiellement des énantiomères L) A C D E F G H I K L M N P Q R S T V W Y ALA CYS ASP GLU PHE GLY HIS ILE LYS LEU MET ASN PRO GLN ARG SER THR VAL TRP TYR Acide aminé Fonction Repliement de la chaine des acides aminés Liaison peptidique Fonction Deux grandes catégories de protéines ØProtéines globulaires: • Particularité : solubles dans l’eau • Localisation : - cytoplasmique - périplasmique - extracellulaire • Exemples : enzymes digestives, immunoglobulines, insuline etc. Deux grandes catégories de protéines Ø Protéines transmembranaires • Particularité : ancrage dans la membrane (constituée de lipides) => en contact avec les milieux aqueux et lipidiques • Fonction : récepteur, transporteur (actif ou passif),… • Exemples : canaux à eau ou ions, transducteurs de signaux etc. Cellule Protéines membranaires Protéines globulaires Solubles Repliement - Effet hydrophobe Liaison ionique Liaison hydrogène etc Contributions des interactions à la stabilité des protéines globulaires : BIEN CONNUES Contributions des interactions à la stabilité des protéines membranaires ? Membranes biologiques Cellule Ø Constituées d’une bicouche lipidique • Lipides (phospholipides, cholestérol et glycolipides) • Glucides • Protéines (périphériques ou traversant partiellement ou totalement la membrane) Þ Composition de la membrane dépend du type cellulaire https://www.cours-pharmacie.com/biologie-cellulaire/les-membranes-cellulaires.html LES PROTÉINES Þ Les protéines constituent le principal matériau de construction des êtres vivants. Þ Elles jouent un rôle actif et vital dans le fonctionnement des cellules (enzymes, anticorps, antigènes, toxines …) => Toutes les protéines contiennent du carbone, de l’oxygène, de l’hydrogène et de l’azote. Plusieurs contiennent aussi du soufre et du phosphore. STRUCTURES DES PROTÉINES LES PROTÉINES => LES PROTÉINES PEUVENT ÊTRE DÉCRITES SELON QUATRE NIVEAUX D’ORGANISATION STRUCTURALE STRUCTURE PRIMAIRE => SÉQUENCE LINÉAIRE D’ACIDES AMINÉS, FORMANT UNE CHAÎNE POLYPEPTIDIQUE CETTE STRUCTURE QUI RESSEMBLE À UN CHAPELET DE « PERLES » D’ACIDES AMINÉS, EST SQUELETTE DE LA MOLÉCULE DE PROTÉINES. ACIDES AMINÉS ET LIAISON PEPTIDIQUE LES ACIDES AMINÉS LES CONSTITUANTS DES PROTÉINES SONT DES MOLÉCULES APPELÉES ACIDES AMINÉS. IL EXISTE 20 ACIDES AMINÉS IMPORTANTS, TOUS DOTÉS DE DEUX GROUPEMENTS FONCTIONNELS: - UN GROUPE AMINÉ (-NH2) - UN GROUPE ACIDE ORGANIQUE (-COOH) ÞPEUVENT ÊTRE UNE BASE (ACCEPTEUR DE PROTON) ÞOU ACIDE (DONNEUR DE PROTON) ACIDES AMINÉS ET LIAISON PEPTIDIQUE LES ACIDES AMINÉS TOUS LES ACIDES AMINÉS SONT IDENTIQUES SAUF POUR LEUR TROISIÈME GROUPE, RADICAL R ACIDES AMINÉS ET LIAISON PEPTIDIQUE LIAISON PEPTIDIQUE LES PROTÉINES SONT DE LONGUES CHAÎNES D’ACIDES AMINÉS RÉUNIS PAR DES LIAISONS AU COURS DE RÉACTIONS DE SYNTHÈSE , LE GROUPE AMINÉ DE CHAQUE ACIDE AMINÉ S’ÉTANT LIÉ AU GROUPE ACIDE DE L’ACIDE AMINÉ SUIVANT . ACIDES AMINÉS ET LIAISON PEPTIDIQUE PROPRIÉTÉS CHIMIQUES LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES SONT DUES À L’EXISTENCE : - D’UN GROUPE CARBOXYLE - D’UN GROUPE AMINE - À LA COEXISTENCE DE CES DEUX GROUPES - LA STRUCTURE DU RADICAL R ACIDES AMINÉS ET LIAISON PEPTIDIQUE POUR COMPRENDRE LA STRUCTURE ET LES FONCTIONS DES PROTÉINES, IL FAUT CONNAÎTRE CERTAINES PROPRIÉTÉS QUI DISTINGUENT LES ACIDES AMINÉS LES UNS DES AUTRES ET SONT DÉTERMINÉES PAR LEURS CHAÎNES LATÉRALES. - LES ACIDES AMINÉS AVEC DES CHAÎNES LATÉRALES POLAIRES SONT HYDROPHILES ET ONT TENDANCE À SE TROUVER À LA SURFACE DES PROTÉINES => EN INTERAGISSANT AVEC L’EAU , ILS RENDENT LES PROTÉINES SOLUBLES EN SOLUTION AQUEUSES ET PEUVENT FORMER DES INTERACTIONS NON COVALENTES AVEC D’AUTRES MOLÉCULES HYDROSOLUBLES. ACIDES AMINÉS ET LIAISON PEPTIDIQUE - AU CONTRAIRE, LES ACIDES AMINÉS DONT LA CHAÎNES LATÉRALES NE SONT PAS POLAIRES SONT HYDROPHOBES; ILS ÉVITENT L’EAU ET CONSTITUENT SOUVENT DES AGRÉGATS QUI AIDENT À LA FORMATION DE POCHES INSOLUBLES DANS L’EAU, AU SEIN DE NOMBREUSES PROTÉINES => LA POLARITÉ DES CHAÎNES LATÉRALES DES ACIDES AMINÉS EST DONC RESPONSABLE DE LA DÉTERMINATION DE LA STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE FINALE DES PROTÉINES. STRUCTURES SECONDAIRES DES PROTÉINES LA CHAÎNE POLYPEPTIDIQUE PEU ADOPTER PLUSIEURS TYPES DE STRUCTURES MAIS PAR NATURE IL N’EN EXISTE QU’UN PETIT NOMBRE QU’ON RETROUVE SOUVENT Structures secondaires des protéines Ramachandran Plot représentation réaliser par le biologiste G.N. Ramachandran. En se basant sur les valeurs d’angles 𝛹 et 𝛷 que plusieurs modèles polypeptides. Il se rendit compte que certains angles 𝛹 et 𝛷 ne pouvaient pas être combinés parce que certains groupements chimiques se chevauchaient. Structures secondaires des protéines A l’aide du ramachandran plot nous avons la possibilité de déterminer en un seul coup d’œil les combinaisons d’angles permis dans des structures protéiques. Les atomes du polypeptide, peuvent voir leurs rayons de contact se superposer légèrement. Þ Les structures secondaires les plus retrouvées sont: - l’hélice alpha - Feuillet beta Structures secondaires des protéines Hélice alpha ÞSuccession d’angles 𝛷 de -57° et d’angles 𝛹 de -47° ÞTourne vers la droite ÞS’élève de 0,15 nm par résidu et de 0,54 nm à chaque tour ÞCompte 3,6 résidus par tour Structures secondaires des protéines Hélice alpha Þ Stabilisés dans sa forme hélicoidale par des ponts hydrogènes ( entre – NH et –C=O en les résidus i+4) Þ Les chaînes latérales pointent à l’extérieur de la structure La proline n’ayant pas d’hydrogène sur son gourpe amine=> ne se retrouve pas dans les hélices alpha Structures secondaires des protéines Hélice alpha Structures secondaires des protéines Hélice 310 Comme hélice alpha, Þ 3 résidus par tour Þ S’élève de 0,6 nm Þ Chaque pont hydrogène ferme une boucle de dix atomes Þ 3 résidus par tour, 10 atomes dans la boucle Þ I,i+3 Structures secondaires des protéines Hélice pi Plus Rare Þ 4,1 AA/ tour Þ H-bond i, I+5 Þ Très rare dans les protéines Structures secondaires des protéines Hélice polyproline Þ Proline cis ou trans Þ Pas de liaisons H Þ angles dièdres (-75°, 160°) Lorsque la protéine présente répétition de proline Les feuillets bêta anti-parallèles Les connections des brins Les coudes (turns) Règles des aa dans les bêta-turns Nettoyage de redondances 16-Jan-2019 UniProtKB/TrEMBL contiens 139694261 séquences entrées http://www.ebi.ac.uk/uniprot/TrEMBLstats/ Statistique - Déplacement chimique Structures résolues expérimentalement (octobre 2019, PDB): http://www.pdb.org/pdb/statistics/holdings.do En amont de la cristallogenèse La cristallographie en deux étapes Avoir une protéine cristallisable La microscopie du cristal Construction du modèle Construction du modèle Construction du modèle
