Bibliographie & annexes
Présentation
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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Remplacement moléculaire3. Utilisation de la diffusion anomale
L'interaction des rayons X avec un atome donné j est modélisée par un facteur de diffusion fj qui caractérise la diffusion de l'atome en prenant comme unité celle d'un électron libre. Dans les conditions dites « normales », fj est un nombre réel c'est-à-dire qu'il n'y a pas de différence de phase entre l'onde diffusée par l'atome et celle diffusée par un électron libre (diffusion Thompson). Dans la réalité, les électrons d'un atome ne sont pas libres, ils sont répartis en orbitales d'énergies données et l'atome présente des discontinuités d'absorption correspondant à l'excitation de couches électroniques profondes. Les approximations de la théorie classique ne sont plus justifiées si l'énergie des rayons X incidents est proche d'un seuil d'absorption de l'atome. Il se produit un phénomène de résonance qui se traduit par un changement phase de l'onde diffusée (par rapport à un électron libre). Un traitement détaillé de l'origine de la diffusion anomale dépasse le cadre de cet article. Pour le plus amples développements, voir la partie bibliographie.
Ce changement de phase dépend de la nature de l'atome et de la longueur d'onde incidente λ. Le facteur de diffusion atomique s'exprime alors par un nombre complexe et s'écrit sous la forme :
( 14 )
où 0f représente la diffusion dite « normale », λf′ et λf′′ deux termes correctifs fonction de la longueur d'onde λ.
0f varie beaucoup avec l'angle q, par contre, λf′ et λf′′ dépendent peu de q.
Dans la gamme d'énergie utilisée en cristallographie, [6 keV (λ = 2 Å) à 40 keV (λ = 0,3 Å)], pour la plupart des atomes présents dans les macromolécules, la correction est négligeable et on n'en tient pas compte (diffusion dite « normale »). Néanmoins, en raison de la potentialité énorme de cette méthode pour la détermination des phases (voir ci-dessous), on va en fait introduire des diffiseurs anomaux dans les macromolécules biologiques. Une conséquence importante de la...
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Utilisation de la diffusion anomale
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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