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PROTÉINES
Les protéines sont des macromolécules biologiques présentes dans toutes les cellules vivantes et codées dans le code génétique. Elles sont formées d’une ou plusieurs chaînes polypeptidiques. Chacune de ces chaînes est constituée de briques élémentaires, appelées acides aminés et qui sont reliés entre eux par des liaisons peptidiques .
Les propriétés physico-chimiques des acides aminés qui composent les protéines dépendent de leur chaîne latérale. Dans le vivant, 22 acides aminés sont protéinogènes, dont 20 standards (la sélénocystéine et la pyrolysine sont, quant à elles, codés indirectement). Ces 20 acides aminés sont généralement regroupés en cinq catégories suivant leurs propriétés physico-chimiques .
A l’exception de la glycine, les acides aminés sont asymétriques. Il existe deux formes d’acides aminés suivant leur chiralité (figure I.1.3), une forme L et une forme D. La forme L est celle qui compose majoritairement les protéines. Tandis que les acides aminés sous forme D sont présents chez les organismes supérieurs dans certains neuropeptides et peptides opioïdes ou bien sous forme libre (D-Asp et D Ser) dans certains tissus .
STRUCTURES
L’analyse des génomes d’eucaryotes, d’eubactéries et d’archées (effectuée en 2012) montre une disparité concernant la taille moyenne des protéines chez ces différents taxons. Les séquences protéiques ont en moyenne une longueur de 472 résidus chez les eucaryotes, tandis qu’elle est de 320 et 283 résidus, chez les procaryotes et archées (figure I.2.1). Cette longueur plus importante chez les eucaryotes s’explique par la duplication et la fusion de gènes.
L’énergie contenue dans les liaisons hydrogènes, les ponts disulfures, l’attraction entre les charges (positives et négatives) et les radicaux hydrophobes ou hydrophiles, structurent la protéine. La structure d’une protéine peut être décomposée en quatre niveaux . Le niveau de base de la structure des protéines, appelé structure primaire, est la séquence linéaire des acides aminés. Cependant, une protéine ne garde jamais une forme strictement linéaire.
Le premier niveau d’organisation structurelle est la structure secondaire . Elle est due principalement aux liaisons hydrogènes formées par le squelette peptidique. Les structures qui la composent sont les feuillets β, les coudes, les hélices (α, π, poly-proline…). Cette structuration de la protéine induit donc des changements de conformations au niveau du squelette peptidique. Ainsi les angles entre les acides aminés ne sont pas fixes. Trois angles dihèdres sont utilisés au niveau du squelette peptidique .
— φ : défini par les quatre atomes successifs CO(1) − N H(2) −Cα(2) −CO(2)
— p si : défini par les quatre atomes successifs N H(2) −Cα(2) −CO(2) − N H
— ω : défini par les quatre atomes successifs Cα(1) −CO(1) − N H(2) −Cα(2)
La liaison peptidique étant plane, l’angle ω vaut 180° (pour les protéines) et seuls les angles φ et ψ ont leurs valeurs qui varient. En étudiant les combinaisons des angles φ et ψ au sein des protéines et en les projetant sur un diagramme 2D (figure I.2.4), Ramachandran a observé que la majorité des acides aminés prennent certaines valeurs φ et ψ. Cette spécificité s’explique par les contraintes stériques qui limitent les configurations possibles pour les angles dihèdres au niveau du squelette peptidique.
La structure tertiaire est l’organisation globale de la protéine . Les interactions hydrophobes, les liaisons ioniques, les interactions de van der Walls (VDW) et les liaisons covalentes (comme les ponts disulfures) contribuent au repliement de la protéine. Enfin la structure quaternaire est le dernier niveau d’organisation. Elle concerne les complexes constitués de plusieurs chaînes protéiques (appelées sous unités) ayant chacune sa propre structure tertiaire. C’est cet assemblage des sous-unités qui confère à la protéine sa fonction .
A l’instar des protéines, les peptides sont des macromolécules constituées d’acides aminés. Chimiquement semblable aux protéines, la dénomination peptide réfère (de manière générale) à des protéines de petite taille (2 à 50 acides aminés) adoptant des structures secondaires mais peu de structures tertiaires10. Les peptides sont présents aussi bien chez les eucaryotes que les procaryotes et ont des fonctions diverses et variées (neuropeptides, peptide endocrinien, peptide rénal…) ).
PROBLÉMATIQUE
La plupart des fonctions biologiques sont assurées par les protéines. En effet, l’enchaînement des acides aminés permet d’avoir une grande variété de structures et de fonctions :
— catalyse de réaction chimique (enzyme)
— transport de molécules (hémoglobine, canaux ioniques…)
— messagers (insuline, hormone de croissance…)
— reconnaissance de molécules (immunoglobulines, récepteurs cellulaire…)
— structure cellulaire (collagène, protéines du cytosquelette…) .
Ces fonctions se font dans la grande majorité par le biais d’interactions protéine protéine (IPP). On estime qu’il y a plus de 600 000 IPP chez l’homme . Plus de 420000 IPP uniques ont été répertoriées (d’après la base de données BioGRID ) et peuvent être aussi bien homomériques qu’hétéromériques. Les IPP peuvent être formés à la suite d’interaction forte avec longue durée d’association ou bien suite à de faibles interactions et avec une durée de vite courte (type transitoire) . Concernant les interfaces des IPP, elles peuvent être constituées d’un coeur hydrophobe entouré de résidus polaires ou bien d’une mosaïque de résidus hydrophobes et polaires . Enfin au niveau structural, les IPP peuvent être classées suivant les modifications structurales induites par l’association et les types de molécules qui interagissent .
Bloquer les IPP permet d’étudier l’impact sur les interactions entre les différentes molécules biochimiques et les perturbations de l’activité au sein de la cellule (ou de l’organisme). A l’heure actuelle, environ 12 000 de ces IPPs ont été la cible d’un inhibiteur . Pour ces raisons, l’étude de ces IPPs et leurs inhibitions a un grand intérêt scientifique, mais également un fort potentiel dans la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques. L’utilisation de petites molécules, traditionnellement avec une masse moléculaire inférieure à 500 Da, a l’avantage d’avoir une bonne biodisponibilité (mesure qui représente la part d’une substance active dans la circulation systémique après une administration autre qu’intraveineuse) . En 2012, 364 médicaments non protéiques disponibles à la vente ciblaient des protéines humaines. L’analyse des structures de protéines présentes dans la PDB révèle qu’environ 10% des protéines possèdent des poches pouvant servir de sites d’interactions pour de petites molécules . Cependant seulement 10% de ces protéines sont impliquées dans des maladies . Ainsi l’inhibition des protéines par de petites molécules a un potentiel limité par rapport à l’ensemble des protéines exprimées chez l’humain .
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Table des matières
I Introduction
I.1 Protéines
I.2 Structures
I.3 problématique
II Méthodes
II.1 Dynamique moléculaire
II.2 Champ de force
II.3 Dynamique moléculaire avec répliques échangées
II.4 Visualisation des structures
II.5 Energie libre de Gibbs et constante cinétique
II.6 Prédiction de l’affinité de liaison
II.7 Métadynamique
II.8 Métadynamique avec biais échangés
II.8.1 Choix des variables collectives pour PPI
II.8.2 Reconstruction d’une hyper-surface d’énergie libre à partir des répliques
II.8.3 Prédiction des taux d’association et dissociation
III Échantillonage accéléré pour l’étude du paysage conformationnel des peptides cycliques
III.1 Méthodes d’échantillonnage du paysage conformationnel des peptides cycliques
III.2 Protocole
III.2.1 Caractérisation des structures
III.2.2 Cohérence de la simulation
III.2.3 Diffusion des températures
III.2.4 Échantillonnage
III.3 Résultats
III.3.1 Échantillonnage et convergence
III.3.2 Carte d’énergie libre
III.3.3 Partitionnement non supervisé des structures
III.3.4 Comparaison 24 vs 8 replica
III.3.5 Conclusion
IV Échantillonnage accéléré pour l’étude des interactions protéine-protéine
IV.1 Introduction
IV.1.1 Le problème de l’interaction entre protéine et ligand
IV.1.2 Le complexe Barnase-barstar
IV.2 Protocole de simulation
IV.3 Résultats
IV.3.1 paysage d’énergie libre et structure du complexe protéique
IV.3.2 Mécanismes d’association
IV.3.3 cinétique
IV.3.4 Conclusion
V Conception de peptides cycliques pour l’inhibition de la dimérisation des caspases
V.1 Protocole
V.2 Résultat
V.3 Conclusion
VI Conclusion
