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RÉSUMÉ
La diffraction des rayons X par des monocristaux est la méthode par excellence pour la détermination des structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques à l’échelle atomique. Cet article couvre le processus de détermination des phases, l’un des 3 problèmes majeurs de la biocristallographie, la construction et l’affinement de la structure dans les cartes de densité électronique et les méthodes de validation des structures. Les avancées technologiques et méthodologiques permettent de résoudre les cas simples de manière de plus en plus automatisée et de reculer continuellement les limites des questions abordables par biocristallographie.
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-
Jean CAVARELLI : Professeur de biophysique structurale - Centre européen de biologie et génomique structurales - Université de Strasbourg - IGBMC, Strasbourg-Illkirch
INTRODUCTION
Dans ce dossier comprenant les articles [P 1 110] et [P 1 111], le processus de détermination d'une structure biologique par diffraction des rayons X sur des microcristaux a été schématiquement divisé en six étapes : obtention de la macromolécule à l'état pur (où des macromolécules dans le cas d'assemblages), cristallisation, collecte de données de diffraction, phasage, construction du modèle par interprétation des cartes de densité électronique, affinement et validation de la structure.
La deuxième partie de l'article va de la détermination des phases, l'un des problèmes majeurs de la biocristallographie, aux méthodes de contrôle-qualité des structures. Ces étapes se caractérisent actuellement par l'utilisation de méthodes mathématiques compliquées dans des programmes de plus en plus automatisés et d'utilisation simple. Au cours des dernières années, des avancées technologiques majeures ont été ainsi réalisées et permettent, dans les cas simples, de résoudre rapidement et avec un minimum d'intervention humaine une structure 3D. Toutes ces avancées permettent aux structuralistes d'attaquer des problèmes de plus en plus complexes (protéines peu structurées, assemblages de protéines et/ou d'acides nucléiques en édifices ou entités fonctionnelles de haut poids moléculaires, complexes transients).
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- Version courante de déc. 2018 par Jean CAVARELLI
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Affinement d'une structure cristallographique5. Cartes de densité électronique
5.1 Définitions
La diffraction des rayons X par un cristal permet d'accéder à une fonction appelée densité électronique qui reflète une distribution continue d'électrons dans la maille cristalline. Cette fonction présente des maxima dans les régions occupées par les atomes et est donc en général interprétée en termes de positions atomiques.
En théorie, la densité électronique ρ ( x, y, z ) en un point de coordonnées relatives (x, y, z ) dans la maille cristalline est calculée par la relation :
( 31 )
avec :
- | F hkl | et fhkl :
- respectivement module du facteur de structure et phase de la réflexion hkl,
- V :
- volume de la maille cristalline.
En absence de diffuseurs anomaux, cette fonction est à valeurs réelles. En présence de diffuseurs anomaux, cette fonction densité électronique est une fonction à valeurs complexes dont la partie imaginaire ne dépendra que de la structure des diffuseurs anomaux.
Dans la pratique, la diffraction des rayons X permet d'accéder à un nombre limité de réflexions (ensemble noté D* ci-dessous), chaque réflexion hkl étant caractérisée par un module du facteur de structure
et une phase calculée
. La densité électronique calculée est alors donnée par la relation :
( 32 )
Il y a donc trois sources d'erreurs principales qui font que ρ (x, y, z )obs...
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Cartes de densité électronique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AUTHIER (A.) - Cristallographie géométrique. - [A 1 305] Physique Chimie (1993).
-
(2) - JEANNIN (Y.) - Résolution d'une structure cristalline par rayons X. - [P 1 075] Techniques d'analyse (1998).
-
(3) - JEANNIN (Y.) - Détermination de structure cristalline par rayons X : méthodes numériques. - [P 1 076] Techniques d'analyse (1996).
-
(4) - BROLL (N.) - Caractérisation de solides cristallisés par diffraction X. - [P 1 080] Techniques d'analyse (1996).
###
Les articles ci-dessous développent, illustrent et complètent, certains aspects présentés dans cette revue :
LASKOWSKI (R.A.) - THORNTON (J.M.) - Understanding the molecular machinery of genetics through 3D structures. - Nat. Rev. Genet., 9(2), p. 141-151, fév. 2008.
ALBER (F.) - ORSTER (F.) - KORKIN (D.) - TOPF (M.) - SALI (A.) - Integrating Diverse Data for Structure Determination of Macromolecular Assemblies. - Annu. Rev. Biochem., 77, p. 443-477 (2008).
CHRUSZCZ (M.) - WLODAWER (A.) - MINOR (W.) - Determination of Protein Structures. A Series of Fortunate Events. - Biophysical Journal, vol. 95, p. 1-9, juil. 2008.
WLODAWER (A.) - MINOR (W.) - DAUTER (Z.) - JASKOLSKI (M.) - Protein crystallography for non-crystallographers. - FEBS Journal, 275 (1), p. 1-21, janv. 2008.
MINOR (D.L.) Jr - The Neurobiologist's Guide to Structural Biology : A Primer on Why Macromolecular Structure Matters and How to Evaluate Structural Data. - Neuron, 54, p. 511-533, 24 mai 2007.
SCHMIDT (A.) - LAMZIN (S.) - From atoms to proteins. - Cell. Mol. Life Sci., 64, p. 1959-1969 (2007).
Pour une étude approfondie, on pourra consulter les revues de synthèse ci-dessous
Crystallography of complexes. - Acta Cryst D63, Part 1, janv. 2007.
Structural Proteomics IN Europe. - Acta Cryst D62, Part 10, oct. 2006.
Data collection and analysis. - Acta Cryst D62, Part 1, janv. 2006.
Model building and refinement. - Acta Cryst D62, vol. 11, déc. 2004.
Experimental Phasing. - Acta Cryst D59, vol. 11, nov. 2003.
High-throughput structure determination. - Acta Cryst D58, vol. 11, nov. 2002.
Une bibliographie plus générale en biologie structurale
* - http://www.bio3d-igbmc.u-strasbg.fr/
...
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