Les interactions mésostabilisantes

Les protéines issues de (micro-)organismes psychrophiles sont capables d’assumer leur fonction biologique à des températures proches de 0°C et parfois même à des températures négatives. Ces protéines doivent trouver un compromis délicat entre stabilité et flexibilité afin d’être suffisaiimient flexibles pour accomplir leur action tout en conservant leur structure native [46.i6i,i76,i77,i8i,i82,i84,i85,248] l’étude de ces protéines puisse être passionnante, notre base de données ne contient que très peu de protéines psychrostables. La température de fusion la plus faible de notre base de données de protéines s’élève déjà à 39,45°C et la température de résistance thermique moyenne du groupe est de 51,8°C. Nous ne pouvons donc déterminer et identifier que les interactions qui ont une contribution relative plus stabilisante dans cette gamme de températures. Il est donc possible que la résistance aux faibles températures que présentent les protéines psychrostables soit assurée par des mécanismes différents.

Chapitre 4 - Dépendance en la température d’interactions protéiques

Nos résultats montrent que les paires de résidus dont la contribution relative à la stabilité des protéines est plus favorable à basse température font pour la plupart intervenir des acides aminés polaires non-chargés (tableaux 4.14-4.19). Ces paires d’acides aminés apparaissent comme significativement plus stabilisantes au sein d’un environnement protéique de faible résistance thermique par rapport aux autres interactions. Les détails concernant toutes les interactions mésostabilisantes identifiées sont fournis en annexe (tableau A.6, fig. A.56-A.88).

4.2.2.1 Les interactions entre résidus polaires non-charsés

Les contributions énergétiques des interactions formées entre paires de résidus polaires non-chargés présentent une dépendance thermique significative. Relativement aux autres interactions entre paires de résidus, elles contribuent en moyenne plus favorablement à la stabilité au sein de protéines mésostables (fig. 4.26).

Figure 4.26 - Potentiel de distance de la paire de regroupements [NQST-NQST] et représentation schématique d’un pont H s’établissant entre [N-T]. Légende cf. figure 4.21.

En particulier lorsque l’on considère les contributions effectives dérivées pour les regroupements de résidus polaires non-chargés [NQST-NQST], le grand écart entre celles dérivées des deux groupes de protéines de résistance thermique moyenne distincte ( et

) n’est atteint que dans une seule des mille séries aléatoires. De plus, en examinant les contributions énergétiques des paires de résidus et paires de regroupements similaires qui font intervenir ces quatre résidus, nous constatons que plusieurs ont la même dépendance thermique significative quelle que soit la représentation simplifiée utilisée (C^ ou Cy).

Interaction" ^P,OUd(%)'’ c^-c^ P.«al(%)'’ Cv-Cv Pnùn(%)" Pmi„(%)‘^ Cv-Cv NQST - NQST 0,1 0,1 0,1 (1) 0,1 (1) N - NQST <0,1 0,8 <0,1 (2) <0,1 (3) Q - NQST <0,1 <0,1 <0,1 (2) <0,1 (3) S - NQST 4,8 1,2 2,7(1) 0,6(1) T - NQST 6,3 / 0,9(1) / S-N / 5,9 / 2,6 (2)

Tableau 4.14 - Interactions mésostabilisantes: entre résidus polaires non-chargés.

L’allure des profils énergétiques présente un minimum lorsque la paire d’acides aminés considérée est séparée d’environ 3-4 A. Après avoir examiné les géométries d’interaction de ces différentes paires de résidus polaires non-chargés à cet intervalle de distances, les conformations adoptées forment en général des ponts H. Ceux-ci s’établissent entre les groupements amides de l’asparagine et la glutamine et les groupements alcools de la sérine et la thréonine. Les atomes impliqués dans la formation de ces ponts H sont respectivement pour ces quatre résidus les atomes et ; O^i et Nf2 ; Oj.et O^. Ce résultat suggère que les contributions des ponts H formés entre résidus polaires non-chargés sont plus favorables à basse température relativement aux autres interactions.

La dépendance thermique globale observée pour ce type d’interactions est en accord avec la composition en acides aminés des deux groupes et (tableau 3.12). En effet, le nombre de résidus polaires non-chargés est légèrement plus faible au sein du groupe

Ga)BD5 résistance thermique moyenne la plus élevée qu’au sein du groupe de plus faible T^. Cette légère dissemblance pourrait être liée à l’adaptation des protéines aux températures extrêmes. En effet, la déamidation des résidus N et Q est plus aisée à haute température et les résidus S et T peuvent faciliter cette réaction

4.2.2.2 Les interactions entre paires de résidus polaires non-charsés et chargés nésativement

Parmi les paires de résidus en contact présentant une contribution à la stabilité des protéines plus favorables à basse température figurent celles entre les acides amines D ou E et N, Q, S ou T (tableau 4.15, fig. 4.27). Les profils énergétiques de ces paires de résidus et paires de regroupements de résidus similaires présentent un profond minimum énergétique aux alentours de 3 à 4 Â. A cet intervalle de distance séparant la paire considérée (tant en utilisant les distances entre centres géométriques C|^ que fonctionnels Cy) l’écart entre les contributions dérivées des deux groupes de protéines de résistance thermique moyenne distincte est significatif.

Figure 4.27 - Potentiel de distance AW^ de la paire de regroupements [DE-NQST] et représentation schématique d’un pont H s’établissant entre [D-S]. Légende cf. tableau

Chapitre 4 — Dépendance en la température d’interactions protéiques

Par ailleurs, en examinant les structures des protéines présentant ces paires d’acides aminés séparés par cet intervalle de distance, leur géométrie d’interaction révèle la formation de ponts H entre eux. Les groupements amides (de N et Q) et les groupements alcools (de S et T) des acides aminés polaires non-chargés établissent des ponts H avec les groupements carboxyliques des acides aminés chargés négativement (D et E). Les atomes de l’acide aspartique (glutamique) imphqués dans la formation des ponts H sont O^i et (O^i et Of2).

Interaction “ P.OUü(%)'’ Cn-C^ P.o.al(%)' Cy-Cv Pmi„ (%) " Pmin (%)" Cv-Cv DE - NQST 4,5 / 0,9 (1) / D - NQST 0,2 0,2 0,4 (3) 2,6 (3) DE-T 1,0 3,2 0,5 (3) 4,1 (3)

Tableau 4.15 - Interactions mésostabilisantes : entre paires de résidus polaires non-chargés et chargés négativement.Légende cf. tableau 4.7.

4.2.2.3 Les interactions entre résidus chargés négativement et la phénylalanine

Une des interactions répertoriée parmi celles thermostabilisantes est l’interaction entre acides aminés aromatiques et chargés négativement (section 4.2.1.4). Cependant, lorsque le résidu aromatique considéré est la phénylalanine, l’interaction formée avec les deux acides aminés chargés négativement D et E est plus favorable à basse température (tableau 4.16). Ce renversement de situation peut être lié à l’absence d’atomes électronégatifs forts le long de la chaîne latérale de la phénylalanine. Dès lors, la formation d’un pont H entre la phénylalanine et un résidu chargé négativement est impossible ce qui n’est pas le cas des autres résidus aromatiques. La seule possibilité pour que la mise en contact de F avec D ou E soit énergétiquement favorable (ou le moins défavorable possible) est que la charge négative se retrouve dans le plan du cycle aromatique de la phénylalanine (fig. 3.7). Cependant, bien que cette interaction soit signifîcativement plus favorable à basse température, elle ne contribue que très faiblement à la stabilité des protéines (~ -0,1 kcal/mole).

Interaction" Ptotalf^)* P.OUl(%)'’ Cv-Cv Pmi„(%)" Cj,-C^ P™, (%) " Cv-Cv DE-F 9,3 / 1,5(1) / E-F / 9,2 / 6,5 (1)

Tableau 4.16 - Interactions mésostabilisantes : entre résidus chargés négativement et la phénylalanine.Légende cf. tableau 4.7.

4.2.2.4 Les interactions entre paires de résidus polaires non-charsés et résidus de petite taille ou aliphatiques

La présence d’un acide aminé polaire non-chargé proche d’un résidu de petite taille ou aliphatique confère une stabilité plus importante au repliement des protéines à basse température (tableau 4.17, fig. 4.28). Les profils énergétiques dérivés pour ces interactions montrent qu’elles ne sont que faiblement stabilisantes (-0,2 à -0,4 kcal/mole). D’autre part ces profils présentent deux minima à des intervalles de distance proches de 4 et 7 A séparant la paire de résidus, que les résidus soient décrits par leurs centres géométriques C^ ou fonctionnels Cy.

3 4 5 6 7 8

(Â)

3 4 5 6 7 8

(Â)

Figure 4.28 - Potentiel de distance de la paire de regroupements [AILV-NQST] et [AG-NQST]. Ces fonctions d’énergie sont dérivées en fonction de la distance inter-résidus dentre centres géométriques (C^-C^). Les couleurs des trois fonctions d’énergie dérivées à partir des trois groupes de protéines de la série correspondent à celles définies au tableau 3.11 (à savoir ; classés en fonctions de leur résistance thermique moyenne croissante). Figure réalisée avec le logiciel XMgrace

Les géométries d’interaction de ces paires de résidus ne montrent aucune tendance particulière et n’adoptent pas de conformation spécifique. En outre, les résidus polaires impliqués dans ces interactions sont souvent à la surface des protéines en contact avec le solvant ou établissent des ponts H avec d’autres résidus dans leur voisinage.

Interaction “ P.o.al(%)* PtotalC^)* Cv-Cv Pmi„(%)" Pmi„(%)" Cv-Cv AILV - NQST 1,0 <0,1 0,5 (2) 0,2 (2) AG -NQST 0,3 0,2 0,1 (2) 0,5 (2) A -NQST 1,6 1,7 1,4(3) 0,8 (4) G -NQST 0,8 1,3 0,1(2) 0,5(1) L - NQST 0,3 1,2 0,4 (4) 0,5 (3) AILV-N 3,2 5,9 2,7 (1) 4,6 (2) AILV-Q 7,8 5,1 8,5 (2) 1,9(2) AG-S 4,8 5,8 4,0(3) 1,9(1) AILV-T 3,5 7,5 3,3 (2) 5,6 (2) AG-T 0,1 0,4 0,9 (3) <0,1 (3) A-T 1,5 1,2 0,5 (3) 0,3 (4) G-S 2,6 / 1,4(3) / G-T 5,4 9,4 <0,1 (1) <0,1 (2)

Tableau 4.17 - Interactions mésostabilisantes : entre paires de résidus polaires non-chargés et résidus de petite taille ou aliphatiques.Légende cf. tableau 4.7.

4.2.2.S Les interactions entre paires de résidus de petite taille

La contribution de ces interactions entre résidus de petite taille est significativement plus favorable à basse température relativement aux autres interactions (tableau 4.18, fig. 4.29). Plus précisément, leurs profils énergétiques d’interactions montrent que deux résidus de petite taille distants d’environ 5 Â ont une contribution moins défavorable au sein de protéines

Chapitre 4 — Dépendance en la température d’interactions protéiques

mésostables. Par ailleurs il est difficile de dire si dans cet intervalle de distances présentant un minimum énergétique ces acides aminés sont en contact ou établissent une interaction quelconque. La dépendance thermique de la contribution de ces interactions n’est pas évidente à expliquer. Il s’agit peut-être d’un mélange de divers effets indirects tels que : l’incapacité de ces résidus à former des interactions spécifiques, leur degré de flexibilité élevé autour de la chaîne principale ou encore la faible perte entropique qu’ils imposent lors du repliement protéique.

____1____I____I_____I____I_____I____1______I____I_____L

3 4 5 6 7 8

d{k)

Figure 4.29 - Potentiel de distance de la paire de résidu/regroupement [G-AG].

Légende cf. tableau 4.22. Interaction" P,OUl(%)" c^-c^ P-OUdC^)" Cv-Cv P™n(%)' C,,-Cn Pmin (%) " Cy-Cv G-AG 2,1 2,3 1,6(1) 1,6(1) A-G 5,1 4,5 1,4(1) U (2)

Tableau 4.18 - Interactions mésostabilisantes : entre paires de résidus de petite taille.

Légende cf. tableau 4.7.

4.2.1.6 Les interactions entre la leucine et d’autres résidus

A l’inverse des interactions entre l’isoleucine et d’autres résidus (section 4.2.1.6), celles établies par la leucine sont plus favorables à basse température (tableau 4.19). Cette particularité semble être liée à la différence de composition de nos deux groupes de protéines q(2)bd, : l’isoleucine est plus fréquente dans les protéines thermostables au contraire de la leucine qui est plus abondante dans les protéines de plus faible résistance thermique. Ainsi que nous l’avons détaillé à la section 4.2.1.6, cette dépendance en la température pourrait être liée à la plus faible hydrophobicité de la leucine par rapport à I et V.

Interaction" P,otal(%)'’ Cy-Cv Pmi„(%)" c^-c^ Pmin(%)" Cy-Cy L - FWY / 4,5 / 3,7(1) L-F 5,9 / 8,1 (2) / L-D 8,6 / 6,3 (2) / L-G 1,9 1,9 1,9 (3) 1,8 (3)

Tableau 4.19 - Interactions mésostabilisantes : entre paires de résidus de petite taille.