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CONTENU
Jochen Lang
Pr UB1
UMR CNRS 5248
Cellules beta-pancréatique et homéostasie glucose
- Transport vésiculaire/exocytose/fusion membranaire
- Signalisation induit par le glucose
- Biosenseurs hybrides (coll. Micro-électronique et diabétologie)
Biologie cellulaire et moléculaire, Biochimie, Electrophysiologie
TD: Pier Scotti
CONTENU
INTRODUCTION ET RAPPEL
Rôles des Membranes
Pliage et destruction de protéines
Le concept de chaperonnes moléculaires
le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
le système GroEL/GroES (« les grandes »)
conclusions
PLIAGE DE PROTEINES I
• « protein folding is a vital biological process as it adds functional flesh to the bare bones of genes » (U. Hartl, MPI, Martinsried)
• Structure = Fonction
• Pourquoi un protéine se replie
• Et dans quel environnement?
PLIAGE DE PROTEINES II
PLIAGE DE PROTEINES III Exemple Ribonucléase
Structures largement feuilles b L’intérieur: des résidus hydrophobes densement arrangés
L’eau entoure les R polaires à la surface
Vue « cartoon » Coupé en deux
au milieu
Bleu: R polaires Violet: R hydrophobes
Vert: Eau
Vue extérieur
Coupé en deux au milieu Avec eau
synaptotagmin synaptotagmin
PLIAGE DE PROTEINES IV Propriétés d’acides aminés
From Livingstone, C. D. and Barton, G. J. (1993), "Protein Sequence Alignments: A Strategy for the Hierarchical Analysis of Residue Conservation", Comp. Appl. Bio. Sci., 9, 745-756.
http://www.russelllab.org/aas/
PLIAGE DE PROTEINES IV Rappel structure: Hélice a 1
# « squelette » polypeptide
autour d’une axe imaginaire
# chaînes latérales (R)
vers l’extérieur
# 1.5 A entre acides aminés,
# un tour
=5.4 ANGSTROEM (0.54 nm)
= 3.6 Acides Aminés
(donc 3 à 4 acides aminés)
f = -60
j = -50
# stabilisée
par liaison hydrogène entre
hydrogène du N et O du carbonyl;
chaque liaison peptidique participe
(sauf extrémités)
# en générale au moins 8 AA
R Ca
O
N
C carbonyl
H (+)
PLIAGE DE PROTEINES IV Rappel structure: Hélice a 2
8
C
a O
N
-
+ C-ter
N-ter
# - O; +, H Dipôle de la liaison peptidique s’étend à travers de la hélice # Les 4 AA des deux extrémités de l’hélice ne participent pas aux liaisons hydrogènes déstabilisation # Contrepoids par AA avec R chargés (à charge contraire; négative au amino terminus, positive au carboxy terminus)
C
NH
NH
O
H
+ +
-
PLIAGE DE PROTEINES IV Rappel structure: Hélice a 3
FACTEURS DE STABILITE INSTABILITE: Interactions entre Rs trois (ou quatre) AA à part attraction électrique Répulsion Volume de R (adapté) R grande trop de Pro ou Gly
dipôle
Interactions entre AA aux extrémités
PLIAGE DE PROTEINES IV Rappel structure: Feuillet b
FACTEURS DE STABILITE protéine entière
pH Liaison de ligand (inclus ioniques) Ponts disulfures Résidus intérieurs
FACTEURS DE STABILITE protéine entière
La plupart des protéines sont seulement marginalement stables
Analyse thermodynamique: État natif d’une protéine seulement 5 - 10 kcal/mol plus stable que la forme deplié
= force d’une seule liaison hydrogène!
Exemple: collagène Source Temp. de fusion Température du corps Peau de veau 39 37 Peau de requin 29 24-28 Peau de morue 16 10-14
Raisons: * Flexibilité permet changement conformationel = fonction * Pliage et dépliage lors du transport à travers de membranes * Désassemblage des complexes/dégradation (régulation)
PLIAGE ET ESPACE
Albumine de sérum humaine, 585 AA, Mr 64.5 kDa
Structure: Problème de
volume
myoglobine: Différents modes de présentation ruban/»mesh»/surface/ruban +R/espace Fraction d’occupation: 0.75 Proche du max théoriquement possible (cristal)
PLIAGE DE PROTEINES V
• Pliage: structure 3D
• Optimalisation de l’espace
• Interactions spécifiques avec autres protéines
• « Dépliage », Agrégation:
• Exposition de séquences hydrophobes!
PLIAGE DE PROTEINES
• etape nécessaire :
• apres synthèse
• transduction sec a qques minutes (ca. 50 msec/AA E. coli, 0.5 sec/AA eukaryote)
• collapse hydrophobe qques millisecondes
• - transport a travers de membranes en forme élongée
• domaine: 30-200 AA; contiguë ou pas (feuillet b)
• rôle des interactions faibles (liaisons hydrogènes)
• les protéines sont seulement marginalement stable! (ex collagène)
• les protéines vivent dans un environnement dangereux:
• -protéases
• - dense! (34%)
• # mouvement brownienne
• # Ka entre macromolécules
• - polysomes ! (rapprochement de séquences similaires)
PLIAGE DE PROTEINES paradoxe de Levinthal a
Peptide de 100 acides aminés Synthèse en 5 s à 37
C 10 conformations/acides aminés =10100 conformations Vibrations moléculaire=1013 s 1077 années
1 ms de la vie d’une peptide
PLIAGE DE PROTEINES paradoxe de Levinthal: inter- vs intra moleculaire
CONTENU
• INTRODUCTION ET RAPPEL
• Rôles des Membranes
• Pliage et destruction de protéines
• Le concept de chaperonnes moléculaires
• le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
• le système GroEL/GroES (« les grandes »)
• conclusions
REPLIAGE DE PROTEINES les membranes (a)
Chaperonnes: Habituellement soluble/cytosolique Ca. 40% des protéines sont membranaires Qui les stabilise et les aide à se plier?
Insertion membranaire
REPLIAGE DE PROTEINES VIIb les membranes b
Bleu = eau Orange = « têtes polaires Vert = chaînes acyl
cytosol membrane Gradient pH non oui Champ électr. Non oui Protéine/solvant 17% 35% Mol solvant/prot 15 4 Pression non oui DG liaison H ~0 +5 très stable!
Un environnement particulièr
REPLIAGE DE PROTEINES VII c les membranes c
Membranes et interfaces
REPLIAGE DE PROTEINES VII d les membranes d- stabilisation
Stabilisé par boucles
Stabilisé par polaires/eau
Avec ligands
Pression latérale
van der Waals
Effets hydrophobes
REPLIAGE DE PROTEINES protéines membranaires
“Hydrophobic Mismatch” Interactions entre membranes et protéines
REPLIAGE DE PROTEINES protéines membranaires
Sous-domaine et triage de protéines
Changements conformationnels
Radeaux et organisation latérale
REPLIAGE DE PROTEINES protéines membranaires
Epaisseur de la membrane « Protein tilt » ou Angle d’insertion
CONTENU
• INTRODUCTION ET RAPPEL
• Rôles des Membranes
• Pliage et destruction de protéines
• Le concept de chaperonnes moléculaires
• le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
• le système GroEL/GroES (« les grandes »)
• conclusions
PLIAGE DE PROTEINES
• Mécanismes « protidiques »: chaperonnes, chaperonines (« chaperonnes à chambre »)
• Mécanismes due à l’architecture cellulaire
• Procaryote: plustot post-transductionnelle
• Eucaryote: plustot co-transductionnelle protéines plus complexes, plus longues E. coli: moyenne 35 kDa; 90% <500 aa levure: moyenne 53 kDa; 60% < 500 aa
• Domaines protidiques: 50-300 AA (archae, pro, eu) plus de protéines à multiples domaines chez les eucaryotes
• Co-transductionelle: pliage d’une domaine afin la fin de la synthèse de la prochaine domaine
• Conséquence: par exemple production actine recombinante 2 domaines (tête/queue) pliage incorrecte dans E. coli
PLIAGE DE PROTEINES IX survivre dans un espace fortement peuplé et dangereux
oligomere Hetero-oligomere
« arrays pathologiques » plaques
« aggregats »
Pliage avec protéines « non-chaperonnes »
Liaison avec chaperonnes
Chaine non-pliée
Partiellement pliée
pliée
Solutions concentrés (34%) Optimisation d’espace
Mouvement brownien réduit Interactions « non-spécifiques »
Protéines solubles Protéines membranaires
PLIAGE DE PROTEINES IXb l’agrégation intracellulaire
MTOC
Russell Aggresomes Maladies hépatiques neurodégénératives
PLIAGE DE PROTEINES IXb l’agrégation intracellulaire
Movie aggresome
PLIAGE DE PROTEINES IXb l’agrégation intracellulaire
PLIAGE DE PROTEINES IXb l’agrégation intracellulaire
Michele Vendruscolo, Proteome folding and aggregation , Current Opinion in Structural Biology Volume 22, Issue 2 2012 138 - 143
CONTENU
• INTRODUCTION ET RAPPEL
• Rôles des Membranes
• Pliage et destruction de protéines
• Le concept de chaperonnes moléculaires
• le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
• le système GroEL/GroES (« les grandes »)
• conclusions
PLIAGE DE PROTEINES XI les concepts des chaperonnes (b)
• 1911 Chick et Martin : différence entre dénaturation et agrégation
• 1929 Wu : dénaturation : dépliement de proteines (hypothèse), liaisons faibles
• 1945 Anson : preuve expérimentale (hémoglobine)
•
• repliement in-vitro : ARNase possible (Dogme d’Anfinsen, 1961)
PLIAGE DE PROTEINES XI ANFINSEN
Toute l’information nécessaire contenu das la protéine
PLIAGE DE PROTEINES XI ANFINSEN
Forme native = forme la plus stable
PLIAGE DE PROTEINES XI les concepts des chaperonnes (b)
• 1911 Chick et Martin : différence entre dénaturation et agrégation
• 1929 Wu : dénaturation : dépliement de proteines (hypothèse), liaisons faibles
• 1945 Anson : preuve expérimentale (hémoglobine)
•
• repliement in-vitro : ARNase possible (Dogme d’Anfinsen, 1961)
• très lente : ca 20 min pour protéine monomérique simple ; in vivo rapide
• paradoxe de Levinthal
•
• certaines protéines trouvent spontanément leur forme, d’ autres pas
• définition de facteurs : repliement de la ARNase, influenza HA etc avec microsomes (ER)
• Rôles des ponts disulfures (PDI, ER)
• sucres N-linked oligosaccharides (hCG; biotech, bacteria)
PLIAGE DE PROTEINES X les concepts des chaperonnes (a)
1978 Laskey « Chaperonnes » nucleoplasmine/histones/ADN =nucleosomes
1989 Ellis “chaperonnes moléculaires”
Conclusions: Repliement nécessaire Chaque protéine peut théoriquement trouver sa bonne forme mais après combien de temps ??? Chaperonnes: augmentent efficacité (unité de travail/temps) VITESSE ne donne pas la forme (pas d’information stérique!) Seulement quelques protéines nécessitent chaperonnes ? Tous les protéines nécessitent les chaperonnes ? Peptides courtes =exception
PLIAGE DE PROTEINES XII les chaperonnes - classification
• Famille large, partiellement connue seulement
(hsp10,40,60,70,90,100; BiP, calnexine, calréticuline; PDI; proline-isomérase etc.)
• Classification approximative (!)
• « les petits »: <200 kDa
• Hsp70,(DnaK), Hsp40 (DnaJ) Hsp=heat shock protein
rôle du choc thermique
• « les grandes » > 800 kDa (chaperonines, « à chambre »)
• GroEL/GroES (Hsp60/Hsp10)
• TCP-1 (tail-less complex polypeptide 1)
PLIAGE DE PROTEINES XIII
Repliement spontané
Chaperonnes
Agrégation
Dégradation
Protéine native
PLIAGE DE PROTEINES XIII vue générale du système
Plusieurs chaperonnes: DDnaK pas létale Dtig (TF) pas létale DDnaK/Dtig (TF) létale synthétique Substance testée: luciférase
Hsp70 et apparentées levure: ca. 2% de protéines cellulaires •t 1/2 liaison ca. 15 sec
•Peptide naissant liée à un hsp pendant sa synthèse
PLIAGE DE PROTEINES XIII vue générale du système
Rôles biologiques de chaperonnes:
Assistance au pliage (substrats)
Guidage à travers des membranes biologiques (cis et trans)
Désassemblage des oligomères
Faciliter la dégradation
Control de l’activité de complexes protidiques • Cdk: progression vers G1 • eIF2a-kinase: initiation de la translation • Raf-1: MAP-kinase (traduction de signaux) • NOS: production NO (traduction de signaux)
CONTENU
• INTRODUCTION ET RAPPEL
• Rôles des Membranes
• Pliage et destruction de protéines
• Le concept de chaperonnes moléculaires
• le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
• le système GroEL/GroES (« les grandes »)
• conclusions
PLIAGE DE PROTEINES XIV le système DnaJ/DnaK (« pétites »)
Trois composants:
PLIAGE DE PROTEINES XV le cycle DnaK/DnaJ
ADP: haute affinité ATP: basse affinité
DnaJ stimule ATPase
GrpE stimule échange (ca 5000x)
relargage
pliage
Peptide à plier
PLIAGE DE PROTEINES XVb comment DnaK prend en charge une protéine
DnaK
Le substrat
PLIAGE DE PROTEINES XVI la famille DnaJ
PROTEINES AVEC DOMAIN J ET LEURS FONCTIONS Auxilin clathrin uncoating Sec63p translocation DNA tumor virus T antigen réplication Csp exocytosis TID56 suppression de tumeurs Mdj2p import mitochondriale Hsj1 fonction des neurones
PLIAGE DE PROTEINES XVI comment tester pour activer chaperone?
- Activité Luciférase
- Sensibilité protéolyse
PLIAGE DE PROTEINES XVII « les grandes »
« TIM barrel »: pliage des enzymes
PLIAGE DE PROTEINES XVIII a qui passe par ou? (a)
Différence de taille: Hsp70: 10 to 50 GroEL: 20 to 80 pI vers 6 (pourquoi?)
Label radioactive pour peptide nouvellement synthétisé Imminoprécipitation avec anti GroEL
PLIAGE DE PROTEINES XVIII a qui passe par ou? (a)
Distribution génome E. Coli (jaune) Protéine exprimé au cours de 15s à 30°C (bleu) Liaison à GroEL à l’intérieur d’E. coli à 37°C (verte) Liaison à DnaK à 40°C (rouge)
CONTENU
• INTRODUCTION ET RAPPEL
• Rôles des Membranes
• Pliage et destruction de protéines
• Le concept de chaperonnes moléculaires
• le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
• le système GroEL/GroES (« les grandes »), Rubisco
• conclusions
PLIAGE DE PROTEINES XIX système GroEL - GroES
GroEL: 2 heptamères (2x7x60 kDa); 2x7 sites de liaison ATP; hsp60 GroES: 10 kDa
ATP
14 nm
18 n
m
PLIAGE DE PROTEINES XIX système GroEL - GroES
GroEL (ADP) GroEL-GroES (ATP)
hydrophobe peptide Force: ca 500 pN
PLIAGE DE PROTEINES XIX système GroEL – GroES les poches hydrophobes
GroES
GroEL
PLIAGE DE PROTEINES XX dynamique de GroEL - GroES
Changement de forme •Agrandissement chambre réaction • Cacher points hydrophobes •. Chambre devient hydrophile
GroEL GroEL/ATP-GroES GroEL/ATP-GroES
GroEL
PLIAGE DE PROTEINES XXI le cycle GroEL - GroES
Haute affinité Encapsulation pliage
Encapsulation Pliage
« actif »
Plages hydrophobes Haute affinité vers non-pliée: « unfoldase » T ca. 20s; éjection ca. 15 s; coopérativité cis/trans Coût de l’opération: ca. 350 kcal/mol; 10% synthèse
T, ATP; D, ADP
CONTENU
• INTRODUCTION ET RAPPEL
• Rôles des Membranes
• Pliage et destruction de protéines
• Le concept de chaperonnes moléculaires
• le système DnaJ/DnaK (« les petites »)
• le système GroEL/GroES (« les grandes »)
• conclusions
PLIAGE DE PROTEINES XXII les arrangements
PLIAGE DE PROTEINES XXIII résumé
PLIAGE DE PROTEINES XXIV pliage et destruction – »les agents doubles »
Pliage Dégradation
interactions: domaines TPR (tetratricopeptide repeats)
geldamycine
PLIAGE DE PROTEINES XXIV autres chaperonnes
Autres chaperonnes : HSP90 dimère de ca. 180 kDa lie ATP, agit souvent avec autres chaperonnes réagit avec quelques protéines spécifiques, p.e; CFTR; eIF2alpha kinase rôle ? Tampon de variation génétique? HSP100 « ring-like », mais plus petit que HSP60 rôle dans les prions de la levure Calnexin, calreticulin, PDI, PPI/TF Co-chaperonne: Csp?, auxilin (« uncoating »), BAG-1 (anti-apoptotique) etc…