MODÉLISATION ET ANALYSE DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES PROTÉINES
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THÈSE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ PARIS 6
PIERRE & MARIE CURIE
Ecole doctorale CHIMIE PHYSIQUE ET CHIMIE ANALYTIQUE DE PARIS CENTRE

Spécialité :
CHIMIE (Matière Condensée)


Présentée par :
Isabelle SOURY-LAVERGNE NAVIZET

Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PARIS 6

MODÉLISATION ET ANALYSE DES PROPRIÉTÉS
MÉCANIQUES DES PROTÉINES

Soutenue le 5 mars 2004

devant le jury composé de :
Richard LAVERY ……………..Directeur de thèse
Monique GENEST……………..Rapporteur
David PERAHIA……………….Rapporteur
Christian AMATORE…………..Président
Anne HOUDUSSE……………..Examinateur
Jean-Marc VICTOR…………….Examinateur
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AVERTISSEMENT




La version de cette thèse n’est pas la version complète de la thèse soutenue le 5
mars 2004. J’y ai enlevé l’article du chapitre 7 qui n’a pas encore été publié.













À Damien et Léonard.
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4 REMERCIEMENTS

Le présent travail a été réalisé au Laboratory of Experimental and Computational Biology, au National
Cancer Institute des NIH de Bethesda aux États-Unis et au Laboratoire de Biochimie Théorique à
l’Institut de Biologie Physico-Chimique à Paris.

Je souhaite remercier tout particulièrement Richard Lavery qui a accepté de diriger cette thèse et m’a
permis de partir un an travailler avec Robert Jernigan. Je tiens à lui témoigner ici toute ma
reconnaissance pour m’avoir acceuillie dans son laboratoire et pour m’avoir accordé sa confiance dans
la réalisation de ce travail. Je ...

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Langue Français
Poids de l'ouvrage 5 Mo

Exrait

THÈSE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ PARIS 6 PIERRE & MARIE CURIE Ecole doctorale CHIMIE PHYSIQUE ET CHIMIE ANALYTIQUE DE PARIS CENTRE Spécialité : CHIMIE (Matière Condensée) Présentée par : Isabelle SOURY-LAVERGNE NAVIZET Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PARIS 6 MODÉLISATION ET ANALYSE DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES PROTÉINES Soutenue le 5 mars 2004 devant le jury composé de : Richard LAVERY ……………..Directeur de thèse Monique GENEST……………..Rapporteur David PERAHIA……………….Rapporteur Christian AMATORE…………..Président Anne HOUDUSSE……………..Examinateur Jean-Marc VICTOR…………….Examinateur 1 AVERTISSEMENT La version de cette thèse n’est pas la version complète de la thèse soutenue le 5 mars 2004. J’y ai enlevé l’article du chapitre 7 qui n’a pas encore été publié. À Damien et Léonard. 3 4 REMERCIEMENTS Le présent travail a été réalisé au Laboratory of Experimental and Computational Biology, au National Cancer Institute des NIH de Bethesda aux États-Unis et au Laboratoire de Biochimie Théorique à l’Institut de Biologie Physico-Chimique à Paris. Je souhaite remercier tout particulièrement Richard Lavery qui a accepté de diriger cette thèse et m’a permis de partir un an travailler avec Robert Jernigan. Je tiens à lui témoigner ici toute ma reconnaissance pour m’avoir acceuillie dans son laboratoire et pour m’avoir accordé sa confiance dans la réalisation de ce travail. Je le remercie sincèrement d’avoir inspiré cette thèse 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 à Christian Amatore pour le soutient qu’il m’a témoigné tout au long de cette thèse et pour l’honneur qu’il me fait de présider le jury de thèse. Je remercie Monique Genest et David Perahia d’avoir aimablement accepté d’être les rapporteurs de cette thèse. Merci également à Anne Houdusse et Jean-Marc Victor, qui ont bien voulu examiner mon travail. Un merci tout particulier à Fabien Cailliez qui a su reprendre si vite la relève et à Chantal Prévost pour les longues discussions et les conseils en programmation. J’adresse également mes plus vifs remerciements à Marc Baaden, Philippe Derreumaux, Brigitte Hartmann, Anne Lebrun, Thérèse Malliavin, Alexey Mazur, Sophie Sacquin-Mora, Youri Timsit, Peter Varnai et Krystyna Zakrzewska, pour leur disponibilité, leurs conseils et les nombreuses discussions qui m’ont aidé tout au long de ces années. Merci à Daniel Piazzola pour sa bonne humeur et son assistance technologique qui ont contribué à la réussite de ce travail. Merci à Isabelle Lépine pour sa gentillesse et sa disponibilité en toutes circonstances. Merci à tous les étudiants en thèse rencontrés au Laboratoire de Biochimie théorique : Guillaume, Raphael, Ingrid, Emmanuel, Dragana, Guillaume, Cyril, Karine, Cyril et Fabien pour leur amitié et les pauses déjeuner. 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 à Alain, Damien et Fabien pour la relecture de ce manuscrit. Merci aussi à vous que je ne cite pas ici mais qui avez contribué à cette thèse par vos conseils ou votre amitié. Enfin, je tiens à remercier ma famille et tout particulièrement mon tendre époux pour avoir toujours été à mes côtés pendant ces années, pour avoir partagé mes doutes et mes espoirs, pour m’avoir encouragée et soutenue lorsque je ne croyais plus en mon travail et pour avoir fêté avec moi mes petites victoires. Merci aussi à Léonard, qui a certes retardé un peu la réalisation de ce manuscrit mais qui m’a permis de l’écrire dans les meilleures conditions qu’il soit en faisant ses nuits. 5 6 TABLE DES MATIÈRES Chapitre 1 Introduction.................................................................................... 11 Chapitre 2 Les protéines................................................................................... 15 I Structure des protéines .............................................................................................. 16 I.1 Structure générale ........................................................................................................ 16 I.2 Les acides aminés 16 I.2.1 Le carbone chiral............................................................................................. 16 I.2.2 Propriétés acido-basiques................................................................................ 17 I.2.3 Classification suivant la nature des chaînes latérales..................................... 17 I.3 La liaison peptidique ................................................................................................... 19 I.3.1 Une liaison plane 19 I.3.2 Les angles de la chaîne peptidique .................................................................. 21 I.3.3 Diagramme de Ramachandran ........................................................................ 22 I.4 La hiérarchie dans la description d’une structure protéique ........................................ 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 hélices............................................................................................................... 26 II.1.1 L’hélice α........................................................................................................ 26 II.1.2 Les autres structures hélicoïdales .................................................................. 28 II.2 Le feuillet β............................................................................................................. 29 II.3 Coudes et boucles ................................................................................................... 30 Chapitre 3 Repliement, dynamique et stabilité des protéines....................... 31 III Stabilité des protéines ............................................................................................... 32 III.1 Une stabilité marginale ........................................................................................... 32 III.2 Les différents effets influençant la stabilité de la structure native.......................... 32 III.2.1 Interactions électrostatiques ......................................................................... 33 III.2.2 Effets hydrophobes et solvatation.................................................................. 34 III.2.3 Ponts disulfure 35 III.3 Cœur hydrophobe.................................................................................................... 35 IV Le repliement des protéines ...................................................................................... 36 IV.1 Contrôle thermodynamique ou cinétique ? ............................................................. 36 IV.2 Les différents modèles de repliement proposés ...................................................... 38 7 IV.3 Le repliement in vivo .............................................................................................. 39 IV.4 Modèles théoriques pour étudier le repliement....................................................... 40 V Dépliement des protéines .......................................................................................... 42 V.1 Provoquer un dépliement in vitro ........................................................................... 42 V.1.1 Contraintes globales ....................................................................................... 42 V.1.2 Nanomanipulations......................................................................................... 45 V.2 Études théoriques.................................................................................................... 48 V.2.1 Exemple d’une étude par dynamique moléculaire et données expérimentales48 V.2.2 Études théoriques du dépliement .................................................................... 49 VI Rigidité et flexibilité des protéines ........................................................................... 51 VI.1 Dynamique des protéines........................................................................................ 51 VI.2 Facteurs de température .......................................................................................... 52 Chapitre 4 Méthodologie .................................................................................. 53 VII Champ de force................................................................................................. 54 VIII Minimisation.....................................................................................................59 VIII.1 Gradient simple et conjugué............................................................................... 59 VIII.2 Quasi-Newton 61 IX Dynamique moléculaire............................................................................................63 IX.1 Résolution de l’équation du mouvement ................................................................ 63 IX.2 Ensemble NPT ........................................................................................................ 65 IX.3 Conditions périodiques ........................................................................................... 66 IX.4 Troncature LJ.......................................................................................................... 67 IX.5 Protocole de dynamique moléculaire...................................................................... 68 X Représentation du solvant ......................................................................................... 70 X.1 Solvant explicite ..................................................................................................... 70 X.2 Solvant implicite : modèle de Born généralisé ....................................................... 70 XI Coordonnées internes................................................................................................73 XI.1 Le système des coordonnées internes ..................................................................... 73 XI.2 Système d’axe : le pivot.......................................................................................... 74 XI.3 Minimisation........................................................................................................... 75 XI.4 Champ de force et représentation du solvant.......................................................... 75 XI.5 Préparation des données : le programme PCHEM.................................................. 75 XI.6 Les différentes utilisations de LIGAND ................................................................. 76 XI.7 Limitation par la taille des protéines....................................................................... 76 XII Modèle granulaire.............................................................................................77 XII.1 L’origine du modèle granulaire .............................................................................. 77 8 XII.2 Le modèle granulaire appliqué aux protéines ......................................................... 77 XII.3 GNM : Gaussian Network Model ........................................................................... 80 XII.4 ANM : Anisotropic Network Model....................................................................... 81 XII.5 Applications ............................................................................................................ 83 XII.5.1 Facteurs de température .............................................................................. 83 XII.5.2 Étude des modes normaux, graphes de corrélation ..................................... 84 XII.5.3 Description des ouvertures et des fermetures des sites enzymatiques ......... 88 XII.6 Modification des modèles granulaires .................................................................... 89 XII.7 Minimisation avec une représentation granulaire ................................................... 90 Chapitre 5 Des outils originaux pour comprendre les propriétés mécaniques des protéines....................................................................................................... 91 XIII Les contraintes mécaniques appliquées sur les protéines................................. 92 XIII.1 Introduction ........................................................................................................ 92 XIII.1.1 Contraintes locales et globales................................................................... 92 XIII.1.2 Principe d’application ................................................................................ 92 XIII.2 Contraintes globales : expériences de dépliement partiel................................... 93 XIII.2.1 Contrainte RMS de distance ....................................................................... 93 XIII.2.2 Variante ne prenant en compte que les carbones α.................................... 94 XIII.2.3 Avantage de la contrainte ........................................................................... 94 XIII.2.4 Expériences de dépliement partiel en dynamique moléculaire................... 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 déplacement par résidu ...................... 101 XIV Domaines structuraux et mécaniques ............................................................. 104 XIV.1 Classification automatique ............................................................................... 105 XIV.1.1 Indice de dissimilarité 106 XIV.1.2 Constitution des groupes........................................................................... 106 XIV.2 Comparer deux structures................................................................................. 108 XIV.2.1 Comparaison de deux structures............................................................... 108 XIV.2.2 Classification des protéines par comparaison.......................................... 109 XIV.3 Identifier des domaines rigides à partir de deux structures distinctes .............. 111 XIV.3.1 Utilisation de superposition entre structures............................................ 112 XIV.3.2 matrice de distances ........................................................... 112 XIV.3.3 Exemple d’algorithme utilisant la comparaison de matrices de distances114 XIV.3.4 Le problème du bruit................................................................................. 114 9 XIV.4 Définition des blocs structuraux ....................................................................... 114 XIV.5 Identification de domaines sans comparaison .................................................. 116 XIV.6 Domaines mécaniques ...................................................................................... 117 Chapitre 6 Article : Flexibilité de la myosine : domaines structuraux et vibrations collectives. 121 XV Introduction....................................................................................................122 XV.1 La myosine : une protéine moteur......................................................................... 122 XV.1.1 Différents types de myosines ...................................................................... 122 XV.1.2 Cycles actine-myosine ................................................................................ 128 XV.2 Blocs structuraux et étude des modes normaux .................................................... 134 XVI Myosin Flexibility : Structural Domains and Collective Vibrations.............. 135 XVII Conclusion......................................................................................................154 Chapitre 7 Article : Propriétés mécaniques des protéines à l’échelle du résidu et leur utilisation pour définir des structurations en domaines...... 157 XVIII Introduction....................................................................................................158 XIX Probing protein mechanics: Residue-level properties and their use in defining domain structures.............................................................................................................. 159 XX Conclusion......................................................................................................182 Chapitre 8 Conclusion générale..................................................................... 183 BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................... 187 ANNEXE 1 : Contraintes mécaniques .......................................................... 199 I Contraintes globales ......................................................................................................... 199 II Contraintes locales. 201 ANNEXE 2 : Important Fluctuation Dynamics of Large Protein Structures are Preserved upon Coarse-Grained Renormalization ............................... 205 Introduction......................................................................................................................... 205 Article : ............................................................................................................................... 207 10