Les complexes biologiques non-covalents

Les complexes biologiques non-covalents

Les interactions non-covalentes impliquées dans la stabilisation de complexes biologiques

Les interactions non-covalentes ont un rôle fondamental dans l’agencement structural des complexes biologiques. Bien que ces interactions impliquent en solution des énergies bien plus faibles (inferieur à 100 kJ/mol) que les liaisons covalentes (de 200 à 800 kJ/mol)1 , elles sont a l’origine de la formation réversible de structures secondaires, tertiaires2 (i.e., interactions intramoléculaires régissant la conformation tridimensionnelle de chacun des partenaires) et quaternaires3 (i.e., interactions intermoléculaires régissant l’appariement de partenaires) de tous complexes biologiques, modulant ainsi leurs activités et leurs localisations au sein de l’organisme, donc leurs fonctions biologiques. D’ailleurs, l’étude des interactions non covalentes a conduit à une meilleure compréhension de différents systèmes biologiques et de leurs réactivités respectives. Parmi les systèmes les plus étudiés figurent : (i) les complexes engageant deux partenaires biologiques ; ADN/ADN (duplex4 , triplex5 et quadruplex6 ), ADN/protéines7 , ou ARN(transfert ou messager)/protéines, et protéines/protéines8 impliquées, par exemple, dans les différentes étapes de la réplication de l’ADN et de la régulation de l’expression des gènes, (ii) les complexes biologiques engageant (en plus) un partenaire inorganique; ADN/métal9 ou protéine/métal10, et (iii) les complexes biologiques engageant un partenaire organique (synthétique, artificiel ou naturel) ; ADN/médicament11 ou protéine/médicament, et ADN/toxine ou protéine/toxine impliqués dans les différentes étapes de régénération et de dégradation de l’organisme.

Les interactions électrostatiques

Les interactions électrostatiques engagent deux partenaires i.e., atomes ou fonctions chimiques, chargés ou partiellement chargés respectivement appelés ion et dipôles12. Ces interactions regroupent (i) les forces coulombiennes de type ion-ion, ion-dipôle ou iondipôle induit, (ii) les forces de van der Waals qui sont majoritairement de type dipôledipôle, et (iii) les interactions de type π staking (cas particulier de dipôle-dipôle discuté séparément).

Les liaisons hydrogènes

Les liaisons hydrogènes sont fondamentales au champ de la biologie structurale14 (e.g. appariement Watson-Crick des nucléobases dans les duplex d’ADN, stabilisation de conformation protéique quaternaire, …). A mi-chemin entre les forces coulombiennes et les forces de van der Waals, elles engagent aussi deux partenaires, l’un donneur et l’autre accepteur, qui peuvent-être dipôle-dipôle, ion-dipôle ou ion-ion. Le donneur est toujours une fonction acide i.e., un hétéroatome électronégatif (e.g. azote, oxygène, soufre) porteur d’un proton (e.g. acides carboxyliques, alcools, amines, amides, thiols). L’accepteur est quant à lui toujours un atome fortement électronégatif (e.g. azote, oxygène, soufre, halogènes) porteur de doublets libres. Ces interactions sont directionnelles i.e., alignement des trois atomes engagés dans la liaison non-covalente (Figure 1-2). Elles sont dépendantes des propriétés intrinsèques des atomes impliqués dans le système non-covalent mais aussi des conditions extérieures à ce système comme la nature du solvant, son pH ou la température du milieu. Ainsi, à température ambiante, ces liaisons plus faibles que des liaisons covalentes peuvent être modifiées (rupture et formation de nouvelles interactions) permettant aux systèmes biologiques non-covalents d’être en constante évolution .

Les interactions π

Les interactions π sont des interactions non-covalentes engageant un système délocalisé d’électrons π conjugués (linéaire ou aromatique)18. Les systèmes π, possédant alternativement des sites riches et pauvres en électrons, peuvent interagir avec (i) un cation métallique ou un métal de degré d’oxydation 0 (respectivement appelé interaction π-cation et π-métal), (ii) un anion (interaction π-anion), (iii) une molécule polaire (interaction π-dipôle) ou, (iv) un autre système π (interaction π-π).  Ces dernières i.e., les interactions π-π, ont des énergies proches de celles des liaisons hydrogènes. Elles contribuent aussi à la stabilisation des systèmes biologiques non-covalents et de leurs conformations tridimensionnelles (e.g. appariement Watson-Crick entre nucléobases au sein des duplex d’ADN, certains sites actifs enzymatiques, …) par l’empilement des plusieurs motifs aromatiques ; c’est le π stacking. Cependant, la stabilité de telles interactions reste dépendante du nombre et de l’orientation des motifs aromatiques donc de la conformation globale de la protéine.

L’effet hydrophobe

L’effet hydrophobe est régi par l’attraction de groupements apolaires qui préfèrent s’associer entre eux plutôt qu’avec des régions hydrophiles (i.e., composées de groupements polaires). Dans les milieux biologiques, aqueux par nature, l’action concertée des interactions, et notamment celles issues de l’effet hydrophobe, conditionne la conformation globale de la biomolécule. En effet, les résidus hydrophobes sont souvent tournés vers l’intérieur des protéines en milieu aqueux, tandis que les résidus hydrophiles sont aussi bien orientés vers l’intérieur que vers l’extérieur. La possibilité de former de telles interactions dépend de la position (structure primaire) et de l’orientation (structures secondaire et tertiaire) des acides aminés les uns par rapport aux autres, elles-mêmes guidées par des interactions covalentes ou non. L’effet hydrophobe étant fortement impliqué dans la conformation globale des protéines, de nombreux efforts ont été réalisés  pour développer des échelles d’hydrophobie afin de prédire la probabilité de retrouver un acide aminé plutôt qu’un autre à l’intérieur ou à la surface d’une protéine considérée. Notons que l’intensité de ces interactions est fonction des surfaces hydrophobes en contact et se mesure en kilojoules par angström au carré (kJ.A-2) .

Les complexes non-covalents biologiques

Structure des protéines et des peptides en solution

Les protéines sont des éléments essentiels de la vie de la cellule. Elles peuvent jouer un rôle : (i) catalytique, e.g. l’amylase salivaire est une enzyme qui catalyse la dégradation des amidons, (ii) de transport, e.g. l’hémoglobine transporte l’oxygène dans le sang, (iii) de régulation métabolique, e.g. l’insuline participe à la régulation du taux de glucose sanguin et, (iv) de protection de l’organisme, e.g. les anticorps reconnaissent sélectivement et inactives spécifiquement des bactéries, des toxines ou certains virus. En somme, l’immense majorité des fonctions cellulaires est assurée par des protéines dont la structure complexe influe sur leurs actions .

Les acides aminés 

Les protéines (comme les peptides) sont des macromolécules biologiques constituées d’un enchainement d’acides aminés (ou résidus) unis par des fonctions amides (appelées liaisons peptidiques)21. Un acide aminé est une espèce organique composé d’un carbone tétravalent central (appelé carbone α) porteur d’une fonction acide carboxylique, d’une fonction amine (d’où acide aminé), d’un atome d’hydrogène et d’un groupement variable (appelé chaine latérale, R). Parmi les 20 différents acides aminés existant chez l’Homme (Tableau 1-1), tous les carbones α (hormis la glycine pour laquelle le groupement variable est un atome d’hydrogène) sont asymétriques et sont généralement de configuration stéréochimique L (formes D rares dans la nature). En milieu physiologique i.e., en solution aqueuse tamponnée, les acides aminés sont formellement chargés (excepté au point isoélectrique (pI) ; valeur de pH où le système est porteur de charges locales mais reste formellement neutre), voire même zwitterioniques i.e., porteur simultanément de charge(s) locale(s) positive(s) et négative(s) (notamment au point isoélectrique, par définition).

En effet, étant simultanément porteur d’une fonction acide (-CO2H), d’une fonction basique (-NH3) et d’une fonction variable sur la chaine latérale (acide, basique, aromatique ou hydrophobe), la forme zwitterionique existe fréquemment dans les conditions physiologiques mais dépend de la température et du pH du milieu.

La liaison peptidique

Les fonctions acides carboxyliques et amines portées par les acides aminés permettent la formation de liaisons peptidiques par synthèse d’une fonction amide (condensation/déshydratation) à partir de deux acides aminés distincts. Les fonctions amines et acides carboxyliques libres situées aux extrémités du squelette peptidique nouvellement formées sont respectivement appelées les groupes N-terminaux et Cterminaux (Figure 1-4). Lorsque la longueur de la chaine est inférieure à 50 acides aminés, on parle de peptides. Entre 50 et 100 acides aminés, on parle de peptides, de polypeptides ou de petites protéines. Enfin, lorsque la longueur de la chaine est supérieure à 100 acides aminés, on parle de protéines 22. De part la présence de formes mésomères, les liaisons peptidiques sont supposées planes et la rotation de la liaison Camide-Namide est fortement défavorisée. De plus, l’encombrement stérique généré par les chaines latérales (au niveau de la liaison peptidique) discrimine la configuration Z de la liaison peptidique au profit de la configuration E. Les autres liaisons i.e., Cα,(i)-Camide et Namide-Cα,(i+1), restant en libre rotation, permettent aux protéines d’adopter de nombreuses conformations (ou structures tridimensionnelles).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : Les complexes biologiques non-covalents
I. Les interactions non-covalentes impliquées dans la stabilisation de complexes biologiques
I. 1. Les interactions électrostatiques
I. 1. a. Les forces coulombiennes
I. 1. b. Les liaisons hydrogènes
I. 1. c. Les forces de van der Waals
I. 2. Les interactions π
I. 3. L’effet hydrophobe
II. Les complexes non-covalents biologiques
II. 1. Structure des protéines et des peptides en solution
II. 1. a. Les acides aminés
II. 1. b. La liaison peptidique
II. 1. c. Conformations des protéines
II. 1. d. Stabilité des protéines
II. 2. Structure des brins d’ADN en solution
II. 2. a. Nucléotides, nucléosides et bases nucléiques
II. 2. b. La liaison phospho-diester
II. 2. c. Conformations des brins d’ADN
II. 2. d. Stabilité des brins d’ADN
II. 3. Les complexes non-covalents ADN-protéine en solution
II. 3. a. Etude moléculaire des interactions ADN/protéines
II. 3. b. Exemples de structures de complexes ADN/protéines
CHAPITRE 2 : La détection par spectrométrie de masse des complexes non-covalents ADN/protéine
I. La désorption/ionisation sous vide des complexes biologiques non-covalents
II. La désorption/ionisation à pression atmosphérique par électro-nébulisation
II. 1. Production des ions en phase gazeuse
II. 1. a. Formation des gouttelettes multichargées
II. 1. b. Evaporations et fissions successives des gouttelettes
II. 1. c. Modèles de production des agrégats chargés
II. 2. Désolvatation des agrégats chargés en phase gazeuse
II. 2. a. Conséquences de la désolvatation en phase gazeuse sur le choix des grandeurs thermodynamiques utilisées
II. 2. b. Exemples d’échelles de basicité et d’acidité en phase gazeuse
II. 2. c. Cas de la n-ième (dé)protonation d’une molécule déjà chargée
II. 3. Application aux complexes biologiques non-covalents
III. Exemples d’études MS de complexes ADN/protéine
III. 1. Exemples d’études par MALDI-MS
III. 2. Exemples d’études par ESI-MS
CHAPITRE 3 : Influence des agents de « superchargement » lors des processus de désolvatation des agrégats chargés
I. Les valeurs descriptives de l’intensité des signaux et des états de charge
I. 1. Les variations d’intensité du signal
I. 1. a. Valeurs descriptives de l’intensité du signal
I. 1. b. Introduction de la SER1%
I. 2. Les variations d’états de charge
I. 2. a. Valeurs descriptives de l’état de charge
I. 2. b. Introduction de la CEC1%
II. Influence du mNBA sur les processus de désorption/ionisation par ESI(+)
II. 1. Variations observées pour les peptides
II. 2. Variations observées pour les complexes non-covalents
II. 2. a. Influence de la présence de l’oligonucléotide sur l’action de mNBA
II. 2. b. Influence de la présence de mNBA sur les voies de fragmentation
III. Influence du mNBA sur les processus de désorption/ionisation par ESI(-)
III. 1. Variations observées pour les oligonucléotides
III. 2. Variations observées pour les complexes non-covalents
III. 2. a. Influence de la présence du peptide sur l’action de mNBA
III. 2. b. Influence de la présence de mNBA sur les voies de fragmentation
IV. Modèle proposé pour la désolvatation des agrégats chargés
IV. 1. Dépendance du modèle vis-à-vis de la polarité
IV. 2. Modèle de désolvatation existant pour les protéines protonées
IV. 3. Modèle de désolvatation proposé pour les oligonucléotides déprotonés
IV. 3. a. Cas des plus longs brins d’ADN (12-mer)
IV. 3. b. Cas des brins d’ADN plus courts (6-mer)
IV. 4. Cas particuliers des complexes non-covalents ADN/peptide
V. Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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