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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 Biologie Structurale, - Université de Strasbourg, - Département de Biologie Structurale Intégrative, - IGBMC, CNRS UMR 7104-Inserm U 1258, Strasbourg-Illkirch, France
INTRODUCTION
Le processus de détermination d’une structure de macromolécule biologique par diffraction des rayons X sur des cristaux est généralement schématiquement divisé en six étapes : obtention de la macromolécule à l’état pur (ou des macromolécules dans le cas d’assemblages), cristallisation, collecte de données de diffraction, phasage, construction de la structure cristallographique par interprétation des cartes de densité électronique, affinement et validation de la structure. La purification de la (ou des) macromolécule(s) et l’obtention de cristaux de qualité (limite de diffraction meilleure que 3 Å) sont les deux premières étapes limitantes d’un projet structural. Ces étapes sont décrites dans l’article [P 1 110].
Cet article va de la détermination des phases, le troisième problème majeur de la biocristallographie, aux méthodes de contrôle-qualité des structures obtenues. Ces étapes se caractérisent actuellement par l’utilisation de méthodes mathématiques sophistées, implémentées dans des programmes de plus en plus automatisés et d’utilisations très simples. L’exploitation en routine de la diffusion anomale a révolutionné le problème des phases. Au cours des dernières années, des avancées méthodologiques majeures, accompagnées par des moyens informatiques de plus en plus performants aujourd’hui accessibles sur un ordinateur personnel, permettent, dans les cas simples, de résoudre rapidement une structure 3D à partir d’un nombre très limité de cristaux, parfois de très petites tailles (quelques micromètres) et cela avec un minimum d’intervention humaine. Toutes ces avancées permettent aux structuralistes de reculer continuellement les limites des problèmes abordables par biocristallographie.
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- Version archivée 1 de sept. 2009 par Jean CAVARELLI
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3. 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 de nombreuses conditions, 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 incident 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). Ce changement de phase, que l’on appelle diffusion anomale, 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 :
avec :
- 0f :
- diffusion dite normale (en absence de diffusion anomale),
- λf ’ et λf ’’ :
- termes correctifs fonctions de la longueur...
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Utilisation de la diffusion anomale
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GRIMES (J.M.), HALL (D.R.), ASHTON (A.W.), EVANS (G.), OWEN (R.L.), WAGNER (A.), McAULEY (K.E.), VON DELFT (F.), ORVILLE (A.M.), SORENSEN (T.) et al - Where is crystallography going? - Acta Crystallogr D. Struct. Biol., 74, p. 152-166 (2018).
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(2) - MACKAY (J.P.), LANDSBERG (M.J.), WHITTEN (A.E.), BOND (C.S.) - Whaddaya know: a guide to uncertainty and subjectivity in structural biology. - Trends in Biochemical Sciences, 42, p. 155-167 (2017).
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(3) - SAYERS (Z.), AVSAR (B.), CHOLAK (E.), KARMOUS (I.) - Application of advanced X-ray methods in life sciences. - Biochimica et biophysica acta., 1861, p. 3671-3685 (2017).
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(4) - CHENG (R.K.Y.), ABELA (R.), HENNIG (M.) - X-ray free electron laser: opportunities for drug discovery. - Essays Biochem, 61, p. 529-542 (2017).
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(5) - SPENCE (J.) - XFELs for structure and dynamics in biology. - IUCrJ, 4, p. 322-339 (2017).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Biologie structurale intégrative
-
à l’échelle européenne, Instruct-ERIC https://www.structuralbiology.eu
-
une infrastructure francaise, FRISBI http://frisbi.eu
Pipelines de références en biocristallographie
-
CCP4. Une chaîne de programmes collaborative http://www.ccp4.ac.uk
-
Phenix http://www.phenix-online.org
-
Global Phasing Limited http://www.globalphasing.com
-
HKL3000 http://www.hkl-xray.com
Accès aux données
-
Base de données PDB (RCSB) http://www.rcsb.org
-
Comprendre la PDB https://pdb101.rcsb.org
Bibliographie plus générale
http://jean.cavarelli.free.fr/bsi/progs/xray_progs.html
HAUT DE PAGE
Collecte de données :
• HKL2000/HKL3000, MOSFLM, XDS
• systèmes experts: xia2, autoproc
Phasage MIR, MAD, SAD
• SHARP, SOLVE, CRANK2,SHELX
Remplacement moléculaire :
• Phaser, Molrep, AMoRe, ARCIMBOLDO
• systèmes...
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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