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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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Accueil > Ressources documentaires > Archives > [Archives] Techniques d'analyse > Détermination des structures 3D des macromolécules biologiques par diffraction X. Partie 2 > Affinement d'une structure cristallographique
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6. Affinement d'une structure cristallographique
6.1 Introduction
Le but de l'affinement d'une structure cristallographique est non seulement d'améliorer le modèle construit en termes de positions atomiques lors des étapes précédentes mais aussi de déterminer les paramètres caractérisant les mouvements des atomes, afin de représenter au mieux la (ou les) structure(s) présente(s) dans le cristal. Cette étape du processus cristallographique consiste à optimiser le modèle issu de l'interprétation des cartes de densité électronique, par un procédé mathématique qui minimise le plus souvent l'écart entre les modules de facteurs de structure observés et les modules des facteurs de structure calculés. D'une façon générale, l'affinement d'une macromolécule biologique est un processus d'optimisation non linéaire d'une certaine fonction (que l'on définira) dépendant de paramètres et reposant sur des observations.
Schématiquement, quatre parties sont à considérer :
-
le choix de la fonction à optimiser ;
-
le choix du processus mathématique d'optimisation ;
-
les observations disponibles ;
-
les paramètres (variables) de la fonction.
Dans l'affinement cristallographique, les observations correspondent à tout ce qui est connu sur le cristal avant l'étape d'affinement :
-
les paramètres cristallins ;
-
les modules des facteurs de structure (dont le nombre est fixé par la limite de diffraction du cristal) ;
-
la stéréochimie des macromolécules étudiées ;
-
éventuellement les phases expérimentales initiales.
Les paramètres à affiner sont le plus souvent les positions atomiques et les paramètres de déplacements atomiques. Ces derniers modélisent le désordre statique et dynamique des atomes et sont généralement connus sous le terme de facteurs de Debye-Waller et facteurs d'occupation.
La fonction à optimiser s'exprime le plus souvent de deux manières : soit sous forme de résiduels de moindres carrés ou de pseudo-fonction d'énergie empirique associée soit sous forme d'un maximum de vraisemblance. Plusieurs méthodes d'optimisation ont été utilisées. La première famille de techniques d'optimisation repose sur la méthode du gradient (en matrice complète, matrice creuse, gradients conjugués ou gradients conjugués préconditionnés),...
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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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