Fiche de révision : Biochimie structurale et modélisation

📋 Plan du Cours

1. Organisation et outils du module
2. Architecture des protéines
3. Conformations du squelette peptidique
4. Structures secondaires et motifs
5. Chaînes latérales et hydrophobicité
6. Interactions moléculaires
7. Méthodes expérimentales structurales
8. Repliement et paysage énergétique
9. Champs de force et calcul énergétique
10. Applications computationnelles

📖 1. Organisation et outils du module

★ À maîtriser

• Le module comprend des rappels de structures macromoléculaires, des méthodes expérimentales, des calculs d’énergie, des approches bioinformatiques, de la visualisation moléculaire avec PyMOL, de la prédiction structurale, de la dynamique moléculaire et de la conception de médicaments.

Compléments

📌 L’utilisation des outils web et des bases de données biologiques nécessite une connexion Internet, et les travaux pratiques nécessitent un outil de visualisation moléculaire tel que PyMOL installé sur l’ordinateur.

📖 2. Architecture des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Architecture protéique : Organisation d’une protéine depuis sa séquence d’acides aminés jusqu’à ses structures locales, son arrangement tridimensionnel et l’assemblage de ses sous-unités.

• Structure tertiaire : Arrangement tridimensionnel des structures secondaires et des chaînes latérales d’une protéine.
• Structure quaternaire : Organisation spatiale de plusieurs chaînes polypeptidiques ou sous-unités assemblées de manière spécifique.

📝 Points essentiels

• La glutamine synthétase bactérienne de référence PDB 1FPY est composée de douze sous-unités identiques, chacune possédant un site actif pour produire la glutamine.

💡 Astuce mémo

Séquence → structures secondaires → structure tertiaire → assemblage quaternaire

📖 3. Conformations du squelette peptidique

🔑 Notions clés & Définitions

• Angle dièdre : Angle entre deux plans définis par des groupes successifs de la chaîne peptidique.

★ À maîtriser

• L’angle φ est défini par les atomes CO(i−1)-NH(i)-Cα(i)-CO(i), tandis que l’angle ψ est défini par NH(i)-Cα(i)-CO(i)-NH(i+1).

• L’angle ω de la liaison peptidique est généralement constant et égal à 180°, car la liaison peptidique est plane.

Compléments

• Le diagramme de Ramachandran, créé par G. N. Ramachandran en 1963, représente les conformations possibles selon les angles φ et ψ. — G.N. Ramachandran

💡 Astuce mémo

φ et ψ varient, tandis que ω reste proche de 180°

📖 4. Structures secondaires et motifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure secondaire : Replis locaux adoptés par les acides aminés dans une protéine.

★ À maîtriser

• Les trois grands types de structures secondaires sont:

  • les hélices
  • les feuillets β
  • les boucles ou coils

• Une hélice α droite contient en moyenne 3,6 résidus par tour et mesure généralement 10 à 12 résidus de longueur.

Compléments

• Dans un feuillet β, les chaînes latérales alternent au-dessus et au-dessous du feuillet, et les brins peuvent être parallèles ou antiparallèles.

• Les boucles relient les structures secondaires, comportent souvent 4 à 12 résidus, se trouvent fréquemment à la surface et peuvent participer à la catalyse ou à la reconnaissance moléculaire.

💡 Astuce mémo

Une chaîne se plie en hélices, feuillets et boucles reliés par des coudes

📖 5. Chaînes latérales et hydrophobicité

🔑 Notions clés & Définitions

• Moment hydrophobe : Vecteur dont la longueur et la direction représentent la distribution spatiale des acides aminés hydrophobes dans une hélice α.
• Bibliothèque de rotamères : Ensemble de conformations prototypes pour chaque type d’acide aminé.

★ À maîtriser

• Les chaînes latérales adoptent des conformations préférentielles appelées rotamères, décrites par des angles χ dont le nombre varie de 0 pour l’alanine et la glycine à 5 pour l’arginine.

• La conformation d’une chaîne latérale dépend de la conformation du squelette et de l’environnement moléculaire.

Compléments

• Selon l’échelle de Kyte et Doolittle, l’isoleucine possède une hydrophobicité de 4,5 tandis que l’arginine possède une hydrophobicité de −4,5. — Kyte J., Doolittle R.F., 1982

💡 Astuce mémo

Hydrophobe enfoui, polaire exposé

📖 6. Interactions moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Pont salin : Attraction entre un groupe chargé d’une molécule et un groupe de charge opposée d’une autre molécule ou de la même protéine.

• Liaison hydrogène : Interaction entre un hydrogène lié à un atome électronégatif donneur et un autre atome électronégatif accepteur.

★ À maîtriser

• Un pont disulfure est une liaison covalente S-S formée par oxydation entre les fonctions thiol de deux cystéines, principalement dans un environnement extracellulaire.

• Les effets hydrophobes poussent les molécules non polaires à s’associer et à réduire leur surface exposée au solvant polaire, ce qui contribue à la stabilité des protéines.

Compléments

• Les ponts salins impliquent notamment les résidus Asp et Glu avec His, Lys ou Arg.

• L’énergie d’une liaison hydrogène est d’environ 1 à 5 kcal/mol et elle est maximale lorsque les trois atomes sont alignés, à une distance d’environ 3 Å.

💡 Astuce mémo

Charges, contacts et solvant → stabilisation de la structure protéique

📖 7. Méthodes expérimentales structurales

🔑 Notions clés & Définitions

• Cryo-microscopie électronique : Reconstruction en trois dimensions de macromolécules rapidement congelées dans leur état natif à partir de nombreuses projections bidimensionnelles.
• Facteur B : Mesure du déplacement des atomes autour de leur position moyenne et indicateur de leur flexibilité et de la précision de leur position.

★ À maîtriser

• La cristallographie aux rayons X produit des motifs de diffraction, les transforme mathématiquement en cartes de densité électronique, puis permet d’y positionner les atomes et d’affiner la structure à partir de la séquence primaire.

• La première structure protéique obtenue par cristallographie aux rayons X fut celle de la myoglobine en 1955 par J. Kendrew, qui reçut le prix Nobel en 1962 avec M. Perutz.

• Une résolution d’environ 1 Å permet de distinguer facilement chaque atome dans la carte de densité électronique, tandis qu’une résolution de 3 Å ou plus montre surtout les contours généraux de la chaîne.

• La RMN étudie les protéines en solution dans un champ magnétique intense et utilise notamment les déplacements chimiques et les effets nucléaires Overhauser pour obtenir des contraintes structurales.

Compléments

• Le premier modèle de structure protéique obtenu par RMN date de 1975 et est attribué à Kurt Wüthrich, qui reçut le prix Nobel en 2002.

• La cryo-EM permet de conserver les complexes dans un tampon proche des conditions physiologiques et de congeler rapidement les échantillons dans l’éthane liquide à environ −160 °C.

💡 Astuce mémo

Cristal aux rayons X, solution en RMN, particule congelée en cryo-EM

📖 8. Repliement et paysage énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Repliement protéique : Processus physique par lequel une chaîne linéaire nouvellement synthétisée acquiert une structure tridimensionnelle ordonnée et biologiquement active.
• Entonnoir de repliement : Paysage énergétique dans lequel la conformation native correspond généralement au minimum d’énergie libre.

★ À maîtriser

• Selon le postulat d’Anfinsen, toute l’information nécessaire pour atteindre la conformation native d’une protéine dans un environnement donné est contenue dans sa séquence d’acides aminés. — Christian B. Anfinsen, 1972

📐 Formule — La variation d’énergie libre est donnée par $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, où ΔH est la contribution enthalpique, T la température et ΔS la variation d’entropie.

Compléments

• Pour une protéine de 100 acides aminés possédant trois conformations possibles par résidu, une recherche aléatoire devrait explorer $3^{100}$ conformations et durer environ 2 × 10^28 années à 10^12 conformations par seconde. — Cyrus Levinthal, 1969

💡 Astuce mémo

Chaîne dépliée → intermédiaires → minimum d’énergie libre

📖 9. Champs de force et calcul énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Champ de force empirique : Ensemble de paramètres décrivant les interactions entre atomes liés et non liés dans un système moléculaire.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie potentielle s’écrit $V_{potential}=V_{bonds}+V_{angles}+V_{dihedral}+V_{improper}+V_{non-bonded}$, avec des contributions liées et non liées.

📐 Formule — Les interactions électrostatiques entre charges partielles sont calculées par $V_{elec}=\sum_i\sum_j\frac{q_iq_j}{4\pi\varepsilon_0r_{ij}}$.

Compléments

📐 Formule — Le terme d’élongation harmonique d’une liaison est $V(l)=k(l-l_0)^2$, où l0 est la longueur de référence et k une constante de force.

📐 Formule — Le potentiel de Lennard-Jones est $V_{L-J}=4\varepsilon\left[\left(\frac{\sigma}{r}\right)^{12}-\left(\frac{\sigma}{r}\right)^6\right]$ et combine répulsion à courte distance et attraction de dispersion à plus longue distance.

📌 Les interactions non liées diminuent avec la distance et sont souvent calculées seulement jusqu’à une distance seuil afin de réduire le coût numérique, car leur calcul complet varie comme N² avec le nombre total d’atomes N.

💡 Astuce mémo

B-A-D-I-N : bonds, angles, dièdres, impropres, non-bondés

📖 10. Applications computationnelles

★ À maîtriser

• 🔄 Une analyse computationnelle peut suivre cette chaîne: prédiction depuis la séquence primaire, modélisation par homologie ou intelligence artificielle, visualisation moléculaire, calcul énergétique, analyse de trajectoires de dynamique moléculaire

• Le projet individuel d’examen consiste à analyser et prédire la structure d’une protéine à l’aide d’outils de visualisation moléculaire et d’outils web.

Compléments

• Les étudiants BBC utilisent un environnement Linux et des installations HPC pour les simulations de dynamique moléculaire et l’analyse des trajectoires.

• PyMOL peut être associé à APBS pour afficher une surface de potentiel électrostatique, et le serveur PDB2PQR peut être utilisé pour générer les fichiers nécessaires lorsque l’affectation des atomes pose problème.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des méthodes structurales