modélisation et analyse des propriétés mécaniques des protéines

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    05-Jan-2017

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    THSE DE DOCTORAT DE LUNIVERSIT PARIS 6

    PIERRE & MARIE CURIE

    Ecole doctorale CHIMIE PHYSIQUE ET CHIMIE ANALYTIQUE DE PARIS CENTRE

    Spcialit :

    CHIMIE (Matire Condense)

    Prsente par :

    Isabelle SOURY-LAVERGNE NAVIZET

    Pour obtenir le grade de DOCTEUR de lUNIVERSIT PARIS 6

    MODLISATION ET ANALYSE DES PROPRITS

    MCANIQUES DES PROTINES

    Soutenue le 5 mars 2004

    devant le jury compos de :

    Richard LAVERY ..Directeur de thse

    Monique GENEST..Rapporteur

    David PERAHIA.Rapporteur

    Christian AMATORE..Prsident

    Anne HOUDUSSE..Examinateur

    Jean-Marc VICTOR.Examinateur

  • AVERTISSEMENT

    La version de cette thse nest pas la version complte de la thse soutenue le 5 mars 2004. Jy ai enlev larticle du chapitre 7 qui na pas encore t publi.

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    Damien et Lonard.

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    REMERCIEMENTS Le prsent travail a t ralis au Laboratory of Experimental and Computational Biology, au National Cancer Institute des NIH de Bethesda aux tats-Unis et au Laboratoire de Biochimie Thorique lInstitut de Biologie Physico-Chimique Paris. Je souhaite remercier tout particulirement Richard Lavery qui a accept de diriger cette thse et ma permis de partir un an travailler avec Robert Jernigan. Je tiens lui tmoigner ici toute ma reconnaissance pour mavoir acceuillie dans son laboratoire et pour mavoir accord sa confiance dans la ralisation de ce travail. Je le remercie sincrement davoir inspir cette thse avec enthousiasme. I would like to thank Robert Jernigan for accepting to have me as his first PhD student and for his kindness. Je voudrais exprimer ma profonde reconnaissance Christian Amatore pour le soutient quil ma tmoign tout au long de cette thse et pour lhonneur quil me fait de prsider le jury de thse. Je remercie Monique Genest et David Perahia davoir aimablement accept dtre les rapporteurs de cette thse. Merci galement Anne Houdusse et Jean-Marc Victor, qui ont bien voulu examiner mon travail. Un merci tout particulier Fabien Cailliez qui a su reprendre si vite la relve et Chantal Prvost pour les longues discussions et les conseils en programmation. Jadresse galement mes plus vifs remerciements Marc Baaden, Philippe Derreumaux, Brigitte Hartmann, Anne Lebrun, Thrse Malliavin, Alexey Mazur, Sophie Sacquin-Mora, Youri Timsit, Peter Varnai et Krystyna Zakrzewska, pour leur disponibilit, leurs conseils et les nombreuses discussions qui mont aid tout au long de ces annes. Merci Daniel Piazzola pour sa bonne humeur et son assistance technologique qui ont contribu la russite de ce travail. Merci Isabelle Lpine pour sa gentillesse et sa disponibilit en toutes circonstances. Merci tous les tudiants en thse rencontrs au Laboratoire de Biochimie thorique : Guillaume, Raphael, Ingrid, Emmanuel, Dragana, Guillaume, Cyril, Karine, Cyril et Fabien pour leur amiti et les pauses djeuner. I am also grateful to all other scientists at the National Cancer Institute for their help and interesting discussions: particularly Pemra Doruker, Peter Greif, Ozlem Keskin, Ruth Nussinov, Yinon Shafrir, Michael Tolstorukov and Victor Zhurkin. Merci Alain, Damien et Fabien pour la relecture de ce manuscrit. Merci aussi vous que je ne cite pas ici mais qui avez contribu cette thse par vos conseils ou votre amiti. Enfin, je tiens remercier ma famille et tout particulirement mon tendre poux pour avoir toujours t mes cts pendant ces annes, pour avoir partag mes doutes et mes espoirs, pour mavoir encourage et soutenue lorsque je ne croyais plus en mon travail et pour avoir ft avec moi mes petites victoires. Merci aussi Lonard, qui a certes retard un peu la ralisation de ce manuscrit mais qui ma permis de lcrire dans les meilleures conditions quil soit en faisant ses nuits.

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    TABLE DES MATIRES Chapitre 1 Introduction.................................................................................... 11

    Chapitre 2 Les protines................................................................................... 15 I Structure des protines .............................................................................................. 16

    I.1 Structure gnrale ........................................................................................................ 16 I.2 Les acides amins ........................................................................................................ 16

    I.2.1 Le carbone chiral ............................................................................................. 16 I.2.2 Proprits acido-basiques................................................................................ 17 I.2.3 Classification suivant la nature des chanes latrales ..................................... 17

    I.3 La liaison peptidique ................................................................................................... 19 I.3.1 Une liaison plane ............................................................................................. 19 I.3.2 Les angles de la chane peptidique .................................................................. 21 I.3.3 Diagramme de Ramachandran ........................................................................ 22

    I.4 La hirarchie dans la description dune structure protique ........................................ 24 I.4.1 La structure primaire ....................................................................................... 24 I.4.2 La structure secondaire ................................................................................... 24 I.4.3 La structure tertiaire........................................................................................ 24 I.4.4 La structure quaternaire .................................................................................. 25

    II Les structures secondaires......................................................................................... 26

    II.1 Les hlices............................................................................................................... 26

    II.1.1 Lhlice ........................................................................................................ 26 II.1.2 Les autres structures hlicodales .................................................................. 28

    II.2 Le feuillet ............................................................................................................. 29 II.3 Coudes et boucles ................................................................................................... 30

    Chapitre 3 Repliement, dynamique et stabilit des protines....................... 31 III Stabilit des protines ............................................................................................... 32

    III.1 Une stabilit marginale ........................................................................................... 32 III.2 Les diffrents effets influenant la stabilit de la structure native.......................... 32

    III.2.1 Interactions lectrostatiques ......................................................................... 33 III.2.2 Effets hydrophobes et solvatation.................................................................. 34 III.2.3 Ponts disulfure............................................................................................... 35

    III.3 Cur hydrophobe.................................................................................................... 35

    IV Le repliement des protines ...................................................................................... 36

    IV.1 Contrle thermodynamique ou cintique ? ............................................................. 36 IV.2 Les diffrents modles de repliement proposs ...................................................... 38

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    IV.3 Le repliement in vivo .............................................................................................. 39 IV.4 Modles thoriques pour tudier le repliement....................................................... 40

    V Dpliement des protines .......................................................................................... 42

    V.1 Provoquer un dpliement in vitro ........................................................................... 42 V.1.1 Contraintes globales ....................................................................................... 42 V.1.2 Nanomanipulations ......................................................................................... 45

    V.2 tudes thoriques .................................................................................................... 48 V.2.1 Exemple dune tude par dynamique molculaire et donnes exprimentales48 V.2.2 tudes thoriques du dpliement .................................................................... 49

    VI Rigidit et flexibilit des protines ........................................................................... 51

    VI.1 Dynamique des protines........................................................................................ 51 VI.2 Facteurs de temprature .......................................................................................... 52

    Chapitre 4 Mthodologie .................................................................................. 53 VII Champ de force................................................................................................. 54

    VIII Minimisation..................................................................................................... 59

    VIII.1 Gradient simple et conjugu ............................................................................... 59 VIII.2 Quasi-Newton..................................................................................................... 61

    IX Dynamique molculaire ............................................................................................ 63

    IX.1 Rsolution de lquation du mouvement ................................................................ 63 IX.2 Ensemble NPT ........................................................................................................ 65 IX.3 Conditions priodiques ........................................................................................... 66 IX.4 Troncature LJ .......................................................................................................... 67 IX.5 Protocole de dynamique molculaire...................................................................... 68

    X Reprsentation du solvant ......................................................................................... 70

    X.1 Solvant explicite ..................................................................................................... 70 X.2 Solvant implicite : modle de Born gnralis ....................................................... 70

    XI Coordonnes internes ................................................................................................ 73

    XI.1 Le systme des coordonnes internes ..................................................................... 73 XI.2 Systme daxe : le pivot.......................................................................................... 74 XI.3 Minimisation ........................................................................................................... 75 XI.4 Champ de force et reprsentation du solvant .......................................................... 75 XI.5 Prparation des donnes : le programme PCHEM.................................................. 75 XI.6 Les diffrentes utilisations de LIGAND ................................................................. 76 XI.7 Limitation par la taille des protines....................................................................... 76

    XII Modle granulaire............................................................................................. 77

    XII.1 Lorigine du modle granulaire .............................................................................. 77

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    XII.2 Le modle granulaire appliqu aux protines ......................................................... 77 XII.3 GNM : Gaussian Network Model ........................................................................... 80 XII.4 ANM : Anisotropic Network Model....................................................................... 81 XII.5 Applications ............................................................................................................ 83

    XII.5.1 Facteurs de temprature .............................................................................. 83 XII.5.2 tude des modes normaux, graphes de corrlation ..................................... 84 XII.5.3 Description des ouvertures et des fermetures des sites enzymatiques ......... 88

    XII.6 Modification des modles granulaires .................................................................... 89 XII.7 Minimisation avec une reprsentation granulaire ................................................... 90

    Chapitre 5 Des outils originaux pour comprendre les proprits mcaniques

    des protines....................................................................................................... 91 XIII Les contraintes mcaniques appliques sur les protines ................................. 92

    XIII.1 Introduction ........................................................................................................ 92 XIII.1.1 Contraintes locales et globales ................................................................... 92 XIII.1.2 Principe dapplication ................................................................................ 92

    XIII.2 Contraintes globales : expriences de dpliement partiel ................................... 93 XIII.2.1 Contrainte RMS de distance ....................................................................... 93

    XIII.2.2 Variante ne prenant en compte que les carbones .................................... 94 XIII.2.3 Avantage de la contrainte ........................................................................... 94 XIII.2.4 Expriences de dpliement partiel en dynamique molculaire................... 95

    XIII.3 Contraintes locales............................................................................................ 100 XIII.3.1 Contrainte sur la valeur moyenne des distances ...................................... 100 XIII.3.2 Pourquoi cette contrainte ? ...................................................................... 101 XIII.3.3 Calcul des constantes de force de dplacement par rsidu ...................... 101

    XIV Domaines structuraux et mcaniques ............................................................. 104

    XIV.1 Classification automatique ............................................................................... 105 XIV.1.1 Indice de dissimilarit ............................................................................... 106 XIV.1.2 Constitution des groupes........................................................................... 106

    XIV.2 Comparer deux structures.....................................

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