Modélisation de l`interaction protéine
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Unité Fonctionnalité et Ingénierie des Protéines Spécificités de l’interaction protéines-sucres en modélisation moléculaire ATELIER GlycoOuest - Interactions Sucres-Protéines V. TRAN (Roscoff avril 2014) Unité Fonctionnalité et Ingénierie des Protéines Spécificités des sucres (nomenclature, terminologie) partager un langage commun avec les chimistes des sucres Comparaison protéines-sucres 2 communautés : des terminologies identiques mais des sens différents pour éviter les ‘bourdes’ initiales … Spécificités de l’interaction pour bien démarrer la modélisation, des ébauches de stratégie… Rappels Organisation des biopolymères: Structure et fonction inséparables biopolymères: suite de monomères (règles de construction selon les types de polymères) Notions (alphabet, règles de constructions (‘mécano’), séquences) Comparaison protéines-sucres, les acteurs de l’interaction caractéristiques des glucides : * très grande richesse de l’alphabet Pourquoi cette richesse? * Plusieurs possibilités de liaisons osidiques Liaisons peptidiques et osidiques; les différences topologiques? ‘Simplicité fonctionnelle’ des sucres Glucides : groupements fonctionnels les plus courants ? avec la liaison C-OH avec la liaison C=O Molécules organiques avec des atomes de carbone porteurs - fonction aldéhyde ou cétone - et fonctions alcool (primaire ou secondaire) sur (tous) les autres dérivés polyhydroxylés (polyols) d’aldéhydes ou de cétones. Composition et définition des oses * ‘unités’ de base * en général : de 3 à 7 atomes de carbone - au moins 2 fonctions alcool (dont une fonction alcool primaire) - une fonction réductrice carbonylée : - aldéhyde (-CHO) aldose - cétone (>C=O) cétose les 2 plus petits (3 atomes de carbone) Glycéraldéhyde (aldotriose) Dihydroxyacétone (cétotriose) Configuration et isomérie des oses pour le plus petit aldose (aldotriose) : 1 carbone avec 4 substituants différents carbone chiral représentation spatiale nécessaire: stéréoisomérie (3D) 1 2 * 3 représentation du ‘coin volant’ (‘flying wedge’) représentation de Cram (UCLA, 1953) Représentation spatiale (3D) de l’aldotriose : 2 énantiomères * seule différence marquante : propriété physique du pouvoir rotatoire déviation la lumière polarisée à droite (D-dextrogyre) ou à gauche (L-lévogyre) Nomenclature des énantiomères (ou configuration absolue) * configuration absolue sans rapport avec le signe de la rotation optique * se déduit par filiation chimique avec une structure de configuration connue nomenclature des molécules chirales : règle de Cahn-Ingold-Prelog (C.I.P) désignation sans ambiguïté tous les stéréo-isomères car chaque carbone asymétrique (chaque élément de chiralité) aura sa propre distinction (R ou S). formes linéaires : projection de Fischer par rapport au ‘coin volant’, rotation de 90° suivant l’axe vertical dans le plan 1 axe d’élongation de la chaîne vertical 3 carbone en haut (en arrière du plan de la feuille) : numéro 1 * au groupe fonctionnel de plus haut état d’oxydation carbone en bas (en arrière du plan de la feuille) : dernier numéro substituants latéraux (en avant du plan de la feuille) * localisation (gauche/droite) : information sur la configuration absolue Les oses (séries dérivées de l’aldotriose) 2 points de départ: S (L) R (D) D-glycéraldéhyde (D-aldotriose) L-glycéraldéhyde (L-aldotriose) pour les glycéraldéhydes : * correspondance D (dextrogyre, déviation la lumière polarisée à droite) et configuration absolue R du carbone asymétrique fortuite ! * les produits dérivés du D-aldotriose gardent le symbole D par filiation * mais peuvent perdre leur caractéristique dextrogyre Règles applicables à la série L pour les glycéraldéhydes et dérivés (représentation Fischer): * Le symbole D correspond à –OH à droite dans la (n-1)ème position * le symbole L correspond à –OH à gauche dans la (n-1)ème position Représentation de Fischer pour les oses plus longs chaque C en plus : insertion juste après le groupe carbonyle 1 2 exemple * 3 1 2 3 * aldotétrose * 4 Les 2 derniers carbones conservent la filiation D (symbole D/L correspond à –OH à droite/gauche dans la (n-1)ème position) 1 carbone asymétrique (2 stéréoisomères) 2 carbones asymétriques (4 stéréoisomères) la chaîne carbonée (verticale), devenant plus longue, elle sera vue de façon convexe (cf. règles de C.I.P.) Filiation des aldoses (série D) D-érythrose D-ribose D-allose D-arabinose D-thréose D-lyxose D-xylose D-aldopentose D-aldohexose D-aldotétrose D-glycéraldéhyde (D-aldotriose) D-idose D-talose D-glucose D-altrose D-gulose D-galactose D-mannose Formes cycliques des oses Tautomérie (formes linéaire et cyclique) * forme cyclique par réaction interne d’hémi-acétalisation réactivité du carbonyle à proximité d’hydroxyles * 2 types présents dans les oses * mais hydroxyles liés entre eux cyclisation groupe carbonyle (C1) groupes alcool secondaire (C2,C3,C4,C5) critère proximité: C4,C5 alcool primaire (C6) mais bien moins favorable ( cycles à 7 carbones très rares) Exemple d’hémi-acétalisation C5-C1 d’un aldohexose basculement 90° Fischer Tollens 5 4 1 1 3 2 pour cycliser, tourner autour de C4-C5 pour présenter l’OH secondaire face au carbonyle 5 D-glucopyranose (pyrane) Hémi-acétalisation C5-C1 d’un aldohexose (illustration 3D) ‘courbure’ basculement 90° 1 pour cycliser, tourner autour de C4-C5 pour présenter l’OH secondaire à proximité du carbonyle Autre exemple: hémi-acétalisation C4-C1 d’un aldohexose Basculement 90° Fischer Tollens 1 pour cycliser, tourner autour de C3-C4 pour présenter l’OH secondaire face au carbonyle 4 D-glucofuranose (furane) Hémi-acétalisations C5-C1 et C4-C1 d’un aldohexose 2 possibilités dans les 2 cas, C1 devient asymétrique (par perte de la double liaison) 2 stéréoisomères : C1 carbone anomérique, anomères α et β (les formes α et β ne sont pas énantiomères mais épimères) l’interconversion des formes α et β passe par la forme linéaire à pH 7, formes cycliques prépondérantes (99%) dont 2/3 forme β et cycle à 6 prépondérant / cycle à 5 à pH basique, forme linéaire prépondérante (99%) Représentation de Haworth pour les cycles * représentations de Fischer (ou Tollens) inadaptées (?) pour les cycles * a priori, le plan de la feuille aurait été une bonne solution pour les cycles… mais difficile de voir ce qui est dessus et dessous de la feuille (or essentiel pour représenter les substituants des C asymétriques) * représentation semi-perspective perpendiculaire au plan de la feuille représentation de Haworth: (assez approche de conformation 3D) 1 Conventions: * liaisons devant le plan moyen représentées par des traits gras * liaisons derrière le plan moyen représentées par des traits fins * carbone C1 (le plus oxydé) est à l’extrême droite repérage facile groupements hydroxyles en dessus/dessous du plan du cycle Relations Fischer – Tollens - Haworth pour les cycles hémi-acétalisation C5-C1 d’un aldohexose Tollens Fischer Haworth liaisons derrière * 1 D-glucose (linéaire) (D) 5 1 C1 anomérie (α/β) liaisons devant D-glucopyranose (cyclique) (D) 5 α D-glucopyranose C1 (droite) 1 β D-glucopyranose C5 série D (droite en Fischer ou Tollens) Représentation de Haworth pour les cycles Variété des configurations cycliques (à 6) des monosaccharides 8 molécules : hémi-acétalisation d’un aldohexose (C5-C1) 4 molécules : hémi-acétalisation d’un aldopentose (C5-C1) 4 molécules : hémi-acétalisation d’un cétohexose (C6-C2) Au total: 4 x 16 molécules… à vous de jouer! Représentation de Haworth pour les cycles Variété des configurations des cycles (à 5) des monosaccharides cycles à 5 atomes (représentation a-D uniquement) Manque: formes α-L, β-D, β -L 8 molécules : hémi-acétalisation d’un aldohexose (C4-C1) 4 molécules : hémi-acétalisation d’un aldopentose (C4-C1) 2 molécules : hémi-acétalisation d’un aldotetrose (C4-C1) 4 molécules : hémi-acétalisation d’un cétohexose (C5-C2) 2 molécules : hémi-acétalisation d’un cétopentose (C5-C2) Au total 4x 20 molécules à vous de jouer! En cas de doutes… Résumé : représentation de Haworth pour les cycles Variabilité des configurations cycliques (5, 6 atomes) de monosaccharides Très grande variabilité des configurations cycliques de départ : 144 ‘unités’ de départ particularité du "mécano" des sucres Sources de variabilité configurationnelle: * carbones asymétriques * conditions de cyclisation (anomérie α et β) * Toutes ne sont pas naturelles… * mais on ne parle (pour l’instant) que de configurations (topologiques) ! * une configuration peut avoir plusieurs conformations (géométries spatiales)… Propriété physique ‘anormale’ : mutarotation * équilibres formes linéaires et cycliques * Entre formes cycliques pyranose, furanose * équilibre entre les formes et … Cas d’un hexose : D glucose Variabilité configurationnelle : comparaison proteines / glucides les unites de base: acides aminés et oses Protéines : 20 acides aminés carbone central () portant : - groupement amine (NH2) - groupement acide (acide carboxylique) - portion variable (radical) ou chaîne latérale tous les AA naturels sont en configuration L si R ≠ H, le carbone est asymétrique (S selon C.I.P. Cahn-Ingold-Prelog) Glucides : oses (monosaccharides) - formes linéaires - formes cycliques cycles à 5 (furanose) cycles à 6 (pyranose) - très grande variabilité des monomères (essentiellement due aux carbones asymétriques) Conformation 3D des oses (pour les cycles à 6 atomes) Conversion 3D de Haworth cycles à 5 et 6 plans ? Impossible !! (angle de valence idéal : 109.47°) déformation dans l’espace Cas des cycles pyranose Plusieurs conformations stables (minima): les formes chaise et bateau (mais moins stables) (disposition cyclohexane mais un des C remplacé par un O) positions axiale et équatoriale uniquement dans le cas de la conformation ‘chaise’ Conformation 3D des oses (pour les cycles à 6 atomes) En présence de substitutions sur un ou plusieurs atomes C (cas des monosaccharides) ces géométries vont être différenciées : remplacement d’un hydrogène par un groupe hydroxyle en position axiale (a) (e) ou en position équatoriale (e). (a) Cas du -D-glucose: (formes 4C1 et 1C4 ?) (a) (e) (e) (a) (e) (e) (a) (a) forme 4C1 (O5 en haut du plan): tous les substituants en position équatoriale forme 1C4 (O5 en bas du plan): tous les substituants en position axiale Pour des raisons d’encombrements stériques, le β-D-glucose est nettement plus stable en conformation 4C1. Autre interprétation des formes cycliques (cas des formes pyranoses): - cycle dérivé du cyclohexane (asymétrie ponctuelle liée à l’oxygène intra-cyclique) ‘plateau’ essentiellement hydrophobe - des groupements hydroxyles plus ou moins au pourtour (la majorité dans le plan du ‘plateau’) variabilité conformationnelle des cycles pour les cycles à 6 atomes (cyclohexane): * formes ‘chaise’ ≈ minima avec puits énergétiques prononcés caractéristiques dièdres intra-cycliques (alternance +/- 60°) * pour passer d’une forme chaise à une autre ↔ distorsions de certains paramètres internes (angles de valence) * passage par états intermédiaires (formes flexibles dont ‘twist’ et ‘bateau’) infinité de solutions sans variations énergétiques contrôle par un paramètre : phase de pseudo-rotation (360°) * entre formes ‘chaise’ et ‘flexibles’: déformations continues Contrôle analytique des géométries : paramètres de puckering variabilité conformationnelle : angles dièdres intra-cycliques des formes pyranoses Déformation des cycles. Expression analytique (J. Pople, D. Cremer) 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, 13541358 (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). Applicable à tous les cycles (avec ou sans symétrie) Intérêt pour les acides nucléiques : formes ribofuranose et dérivés… 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 Cssymmetrical envelope form with the O atom at the apex of the ring is located at φ2 = 0°. The C2-symmetrical twist form of tetrahydrofurane is located at φ2 = 90°. 10 envelope (E) and 10 twist (T) http://smu.edu/catco/ring-puckering.html Déformation des cycles (pour les cycles à 6 atomes) Jeu de coordonnées polaires: * phase pseudo-rotation (Φ) * angle déformation (θ) pour passer entre les 2 formes ‘chaise’ (0 ≤ θ ≤ π) * Q : déviation moyenne des positions atomiques hors du plan Géométries décrites - chaise (chair) C - bateau (boat) B - twist (skew) S - enveloppe (envelop, sofa, half-boat) E - demi-chaise (half-chair) H Déformation des cycles (pour les cycles à 6 atomes) Représentation globale http://smu.edu/catco/ring-puckering.html Mesure de la déformation des cycles ? méthode ‘pédagogique’ : programmation perso… 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). méthode ‘moderne’ : internet http://www.ric.hi-ho.ne.jp/asfushi/ Autre degré de liberté conformationnelle : hydroxyles primaires plus généralement : présence d’une liaison C-C simple hors des cycles: (3 positions décalées –cf. barrière de rotation éthane) Excessivement important dans la modélisation des monosaccharides orientations manuelles des groupes hydroxyles toujours nécessaires et fortement recommandées car : * les contraintes de cyclisation ne leurs sont pas applicables * la directivité des LH qui découlent des groupements hydroxyle nécessite la plus grande attention. Seul cas de réelle flexibilité conformationnelle . Autre degré de liberté conformationnelle : hydroxyles primaires * Rotation autour liaison C5-C6 avec 3 positions privilégiées (substituants décalés) * La propagation hors du cycle des liaisons C5-C6 et C6-O6 peut se faire en référence, soit à l’atome O5 soit à l’atome C4. * La nomenclature adoptée tient compte des deux angles dièdres O5-C5-C6-O6 et C4-C5-C6-O6. 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 systématique, 3 conformations à tester !!! Autre degré de liberté conformationnelle : hydroxyles primaires GT TG GG Variabilité conformationnelle : comparaison proteines / glucides les unités de base: acides aminés et oses Acides aminés: espace conformationnel de la chaîne latérale (rotamères) cas du tryptophane possibilités de rotation de 2 angles dièdres Monosaccharides : - hydroxyles primaires très flexibles - déformation faible des cycles (plutôt invariants) mais des ordres de grandeurs énergétiques très différents Variabilité conformationnelle des monosaccharides - hydroxyles primaires très flexibles (et faible coût énergétique) à explorer (en relation avec la directivité de la liaison hydrogène) - déformation des cycles (plutôt l’exception) formes ‘chaise’ assez stable’ les causes de déformations : groupe(s) substituant(s) volumineux cas limite de cyclisation interne contexte de fortes contraintes externes (site actif catalytique: déformation nécessaire à l’attaque nucléophile) sinon… problème de champs de forces artéfact du minimiseur (typique interactions protéine sucre) ↔ aussi bien d’un point de vue statique que dynamique, vérifier les raisons ‘plausibles’ d’une déformation de cycle (sinon, probablement ‘bug’ informatique) Formation des biopolymères : (alphabet, règles de constructions (‘mécano’), séquences) Spécificité des sucres: liaison osidique (ou glycosidique) Condensation d’oses par formation d’une liaison éther entre - hydroxyle réducteur : OH semi acétalique en C1 (aldose) et C2 (cétose) d’un ose (réactivité de l’hydroxyle anomérique) - autre hydroxyle d’un autre ose (y compris OH semi acétalique) Sens de propagation primordial : bout réducteur (possibilité de continuer la condensation ou arrêt) Possibilité de ramification Typologie des liaisons glycosidiques OH semi-acétalique + alcool prim. dimère réducteur (1 OH semi-acétalique libre) OH semi-acétalique + alcool sec. dimère réducteur (1 OH semi-acélique libre) 2 x (OH semi-acétalique ) dimère non-réducteur (OH semi-acétalique non libre) le cycle donnant l’OH semi-acétalique fige son anomérie (α ou β) nomenclature et convention α 4 6 1 critères : - * noms des oses (celui avec fonction semi-acétalique à gauche + osyl) - * anomérie et numéro de l’ose fournissant la fonction semi-acétalique - * numéro de l’atome de l’autre ose en liaison - * terminaison : ose si l’oligomère reste réducteur oside si l’oligomère est non réducteur exemple de la liaison en haut : Glucopyranosyl (α16) glucopyran ose exemples juste en dessous (vert) Glucopyranosyl(α14)glucopyranose exemple tout en bas Glucopyranosyl(α1 α1)glucopyranoside La plupart du temps: 2 angles dièdres caractérisent la liaison… (φ,ψ) ou (φ,ψ) ? Propagation polymérique: liaison peptidique vs liaison osidique Rappel liaison peptidique: typologie différente (pas de ramification) entre le groupement acide (COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (NH2) d‘un autre acide aminé. liaison osidique: ramification possible (plusieurs hydroxyles), arrêt possible Variabilité de propagation 3D: liaison peptidique vs liaison osidique Cas de liaison peptidique… angles de torsion essentiels N-ter C-ter chaque AA : deux angles de torsion: (autour N-C ) et (autour C-C) liaison peptidique : angle de torsion (autour C-N) plan rigide intégrant 6 atomes dont les deux atomes impliqués dans la liaison Cas le plus fréquent : = 180° (conformation trans) Cas beaucoup plus rare : = 0° (conformation cis) variabilité conformationnelle intra-unité: spécifique à chaque acide aminé Cas de liaison peptidique (suite)… Les angles de torsion et sont reportés sur une table Diagramme de Ramachandran (1963) Toutes les valeurs de φ et ψ ne sont pas possibles car certaines conduisent à des conflits stériques entre atomes trop proches (énergétiquement très défavorables) Contacts possibles entre atomes des chaînes latérales 3 zones énergétiquement favorables En reportant les points correspondant à chaque couple (,), on ne devrait pas retrouver de points hors de ces zones… ?? exceptions: Glycine et Proline Variabilité de propagation 3D: liaison peptidique vs liaison osidique Cas de liaison osidiques: angles de torsion essentiels… (φ et ψ) inter-unités exemple du cellulose * cohérent avec la rigidité des cycles de base *degrés de liberté les plus importants pour la propagation de la chaîne -hors contexte protéique (structures régulières des polysaccharides) -en contexte protéique (ex: remplissage d’une crevasse catalytique) Flexibilité intra-unité (φ et ψ) liaison peptidique Flexibilité inter-unités (φ et ψ) liaison osidique Variabilité de propagation 3D: liaison peptidique vs liaison osidique Cas de liaison osidiques: angles de torsion essentiels… (φ et ψ) inter-unités Représentations 2D (φ|ψ) (similaire à la carte de Ramachandran) selon: les cycles de part et d’autre les conformations des cycles impliqués la liaison (anomérie α/β; mode de fixation (14, etc…) stratégies de prise en compte des autres degrés de liberté (cartes rigides, semi-relaxées, relaxées…) extension possible carte 3D (φ|ψ|ω) Exemple de cartes (φ et ψ) semi-relaxées liaison osidique 4C 1 Glucopyranose (α14) glucopyranose 4C 1 Effets de la déformation second cycle (2 formes skew) formes et position des minima G. ANDRE, & al. " - Biopolymers, 39, 737-751 (1996) Interprétation des cartes (φ et ψ) liaison osidique Interprétation à moduler selon la ‘finesse’ des cartes (φ et ψ) approche oligomère * garde-fou des zones interdites (si critère de stabilité des conformations des cycles accepté) (interprétation assez similaire aux cartes de Ramachandran) * points de départ des minimisations énergétiques surtout dans un contexte très contraint : plusieurs hypothèses de conformation liaison, réorientations manuelles des hydroxyles minimisation vérification que les géométries finales sont dans les zones permises… approche polymère * tirages (aléatoire ou régulier) de couples de points (φ et ψ) pour mimer la propagation régulière ou statistique de polysaccharides Les polysaccharides (classement hétéropolysaccharides) un faible nombre de schémas possibles A - Structure alternée B - Structure en blocs C - Structure linéaire complexe D - Structure ramifiée complexe E - Structure interrompue branchée Les polysaccharides (structures régulières d’homopolysaccharides) A/ hélice simple (cellulose) : 2 résidus par tour B/ simple hélice (amylose) : 6 résidus par tour C/ double hélice (amylose) : 6 résidus par tour, organisation différente des chaînes Dans les protéines: les interactions importantes - effet hydrophobe les radicaux hydrophobes se regroupent à l’intérieur de la protéines (maximisation des contacts vdW pour minimiser leurs interactions avec l’eau) Inversement, radicaux hydrophiles à la périphérie (contact avec l'eau) - liaisons ioniques entre radicaux ioniques positifs et négatifs - liaisons hydrogène existent aussi au sein de la protéine (intra struct. second. et inter segments) - ponts disulfure liaison covalente entre 2 résidus cystéines à proximité spatiale (aucun lien avec la disposition dans la chaîne) Spécificités de l’interaction protéine-sucre Nature des cycles osidiques - cycle dérivé du cyclohexane (asymétrie ponctuelle liée à l’oxygène intra-cyclique) ‘plateau’ essentiellement hydrophobe - des groupements hydroxyles (+/-) au pourtour (la majorité dans le plan du ‘plateau’) dérivés polyhydroxylés (polyols) d’aldéhydes ou de cétones Dans l’interaction protéine/sucre: 2 termes énergétiques importants contacts hydrophobes (dont ‘stacking’ avec résidus aromatiques) liaisons hydrogène Résidus à chaine latérale aromatique et hydrophobe ‘stacking’ structuration protéine et arrimage des ligands * extension aux cycles osidiques sans noyau aromatique. énergies de stacking plus faibles mais significatives ( LH forte), dépendantes des substituants axiaux sur ces cycles osidiques Rôle: interaction fréquente dans les sites d’arrimages protéine-glucide Bonne prise en compte du phénomène de stacking avec les lois de mécanique moléculaire malgré son caractère électronique. Liaison Hydrogène (LH) formée entre: un donneur avec H lié à un élément fortement électronégatif (O, N, F) un accepteur porteur d’un doublet électronique libre (base de Lewis). Origine: forte électronégativité de l’oxygène forte polarisation des liaisons C–O et O–H présence de charges partielles sur O(δ–) et H (δ+) Groupements concernés: –OH, –NH (amines) mais aussi l’eau (H–OH) Energie bien moins forte qu’une liaison covalente mais significative ~ 4 à 5 kcal.mol-1 pour une LH forte (distance O…O ~2.8A) Difficultés d’évaluations: - difficilement dissociables entre elles (notion de réseaux) - difficilement quantifiables car large plage de distances - seul terme énergétique anisotrope : multiplicité et directivité Automatisation quasi impossible (directivité et artéfacts de minimisation) : tests plusieurs orientations et cohérence du réseau LH Spécificités de l’interaction protéine-sucre * Rechercher systématiquement les résidus susceptibles de faire un stacking * Identifier les LH directs ou via le pontage d’une molécule d’eau 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 Réseau très dense de LH pdb :4C4C (CELLULOSE 1,4-BETA-CELLOBIOSIDASE) Trichoderma reesei plusieurs conformations d’hydroxyles primaires déformation d’un cycle au sous-site 1 pdb :4C4C (CELLULOSE 1,4-BETA-CELLOBIOSIDASE) Trichoderma reesei de la spécificité des sites catalytiques… Modélisation de l’interaction protéine-sucre Les priorités (en vrac)… - avoir une structure protéique fiable (RX et bonne précision) un bon modèle de départ… - topologie du site catalytique et les sous-sites de fixation savoir où agir in silico… - repérer des oses, des fragments d’oses ou des inhibiteurs comment accrocher les (premières) unités de base - étudier la propagation de la chaîne osidique : cartes (φ|ψ) priorité à la liaison osidique; négliger la déformation des cycles tester les minima, la compatibilité de la crevasse/nature des liaisons - facteurs de stabilisation des oses dans leurs sous-sites stacking, orientation (manuellement) des OH (côté sucres) chaines latérales (côté protéines) - si nécessaire, prendre en compte la déformation des cycles Stabilité de la liaison osidique La liaison éther est rompue par hydrolyse les molécules de départ retrouvent leurs fonctions hydroxyle Liaison relativement stable à pH7 mais moins que d’autres comme liaison peptidique, carboxyl-ester (glycérides), phospho-ester (glycérophospholipides) probablement une bonne façon de garder en réserve des molécules disponibles… Hydrolyse enzymatique Activité très intéressante à comprendre et à ‘mimer’ - large palette d’enzymes de coupure (hydrolases) des liaisons glycosidiques (glycosidases) (parmi le peu d’enzymes répertoriées…) - grande variabilité d’activités : des moins spécifiques aux plus spécialisées… * concernant des classes d’oses ou leur dérivés (ex: hexosaminidases, …) * concernant un type d’ose (ex: glucosidases, galactosidases, xylanases…) * concernant la type de liaison et/ou l’anomérie (ex: α ou β-glucosidases,… ) * concernant des fragments d’oligosides dans un contexte particulier… Bref, la nature semble s’être dotée d’une panoplie de machines-outils (protéines) pour utiliser ces oligo- et poly-osides de réserve… Hydrolyse enzymatique : spécificité des machines-outils Comment le site catalytique des hydrolases est adapté à l’hydrolyse de chaines particulières d’oligosaccharide Cas des alpha-amylases (hydrolyse de cycles glucopyranose liés en alpha) Ici alpha-amylase d’orge hydrolyse liaison alpha(1-4) (endohydrolase) Hydrolyse enzymatique : spécificité des machines-outils Cas des alpha-amylases (ici alpha-amylase d’orge) Comment couper une chaîne au milieu ? Forme de la crevasse catalytique: sillon continu et courbe Complémentarité de forme et courbure nécessaire du substrat pour préparer l’attaque Hydrolyse enzymatique : spécificité des machines-outils Cas d’une beta-glucosidase (hydrolyse de cycles glucopyranose liées en beta) Ici beta-glucosidase de Thermus thermophilus (1UG6) (exohydrolase) Comment couper une chaîne À une extrémité ? Hydrolyse enzymatique : spécificité des machines-outils Cas d’une beta-glucosidase (hydrolyse de cycles glucopyranose liées en beta) beta-amylase de thermus thermophilus (exohydrolase) Forme de la crevasse catalytique: cul-de-sac Cas d’une beta-glucosidase (hydrolyse de cycles glucopyranose liées en beta) beta-amylase de thermus thermophilus (exohydrolase) Complémentarité de forme forme de la crevasse catalytique: cul-de-sac Modélisation de l’interaction protéine-sucre Un exemple de stratégie … du siècle dernier ! Collaboration INRA Nantes/Carlsberg (B. Svensson)/CNRS Lyon(R. Haser) Construction in silico de fragments d’amylose dans la crevasse catalytique de l’a-amylase d’orge G. ANDRE et al - "Amylose chain behavior in an interacting context. I. Influence of a non-chair ring on the maltose conformation" - Biopolymers, 39, 737-751 (1996) G. ANDRE, et al - "Amylose chain behavior in an interacting context. II. Molecular modeling of a maltopentaose fragment in the barley α-amylase catalytic site" - Biopolymers, 49, 107-119 (1999) G. ANDRE et al - "Amylose chain behavior in an interacting context. III. Complete occupancy of the AMY2 barley α-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 –6 and +4 Control Substrate Specificity, Oligosaccharide Cleavage Patterns, and Multiple Binding Modes of Barley -Amylase 1" - J. Biol. Chem., 279, 10093-10102 (2004) G. ANDRE & V. TRAN - "Putative implication of α-amylase loop 7 in the mechanism of substrate binding and reaction products release"- Biopolymers, 75, 95-108 (2004) a-amylase d’orge (point de départ) Complexe AMY2/acarbose tronquée -inhibiteur: cycle A déformé, (,) anormaux -relier les 2 sites ? remplacement inhibiteur arrimage de substrats DP ∕ catalyse phase hétérogène? mécanisme d’hydrolyse ? Stratégie d’arrimage (statique) Arrimage de substrats de taille croissante Meilleur arrimage DP3 carte (φ|ψ) adaptée à la liaison α(1-4) point de départ: cycle B en conformation ‘chaise’ accrochage des cycles de part et d’autre de B non déformation du substrat (cycles A et B) DP3 inhibiteur Meilleur arrimage DP5 nouvelles cartes (φ|ψ) avec déformation des cycles Même stratégie d’accrochage en amont et aval déformation cycle A induite par la crevasse Validation du modèle superposition des oxygènes expérimentaux Arrimage DP12 contexte de la crevasse, estimations énergétiques par sous-site série de mutations loin du site catalytique (Carlsberg) Unité Fonctionnalité et Ingénierie des Protéines Spécificités de l’interaction protéines-sucres en modélisation moléculaire ATELIER GlycoOuest - Interactions Sucres-Protéines Merci de votre attention et en route vers de nouvelles aventures scientifiques in silico !
