Utilisation de la diffusion anomale
Biocristallographie - De la détermination des phases à la structure cristallographique

P1111 v2 Article de référence

Utilisation de la diffusion anomale
Biocristallographie - De la détermination des phases à la structure cristallographique

Auteur(s) : Jean CAVARELLI

Relu et validé le 23 oct. 2020 | Read in English

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Présentation

1 - Préambule à la détermination des phases

Quiz d'entraînement

2 - Méthode de la série isomorphe

2.1 - Détermination des phases : cas idéal

Figure 4 - Méthode MIR
2.2 - Détermination des phases : cas réel
2.3 - Obtention des dérivés lourds
2.4 - Détermination de la position des atomes lourds
- Quiz d'entraînement

3 - Utilisation de la diffusion anomale

3.1 - Travail à une seule longueur d’onde. Formalisme SAD. Vision graphique

Figure 7 - Deux solutions de phases SAD
3.2 - Travail à plusieurs longueurs d’ondes. Formalisme MAD. Vision graphique
3.3 - Travail à plusieurs longueurs d’ondes. Formalisme MAD. Mathématiques
3.4 - Incorporation des diffuseurs anomaux
3.5 - Détermination des f ’ et f ’’
3.6 - Développements et perspectives

4 - Remplacement moléculaire

4.1 - Fonction de rotation
4.2 - Fonction de translation
4.3 - Remarques
4.4 - Détermination des phases
- Quiz d'entraînement

5 - Cartes de densité électronique

5.1 - Définitions
5.2 - Amélioration par des méthodes de modification de densité
5.3 - Extension des phases
5.4 - Construction de la structure
- Quiz d'entraînement

6 - Affinement d’une structure cristallographique

6.1 - Préambule
6.2 - Principes
6.3 - Méthodes de moindres carrés
6.4 - Méthodes de la dynamique moléculaire
6.5 - Maximum de vraisemblance
6.6 - Carte de densité électronique
6.7 - Particularités des macromolécules biologiques

7 - Validation et contrôle qualité des structures

8 - Base de données PDB

Quiz d'entraînement

9 - État des lieux et développements

9.1 - Génomique structurale, années 2000-2010
9.2 - Cristallographie en série et microcristallographie
9.3 - Promesses du XFEL
9.4 - Cristallographie et microscopie électronique

10 - Programmes en biocristallographie

11 - Conclusion

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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Auteur(s)

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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MOTS-CLÉS

Cristallographie Phasage Affinement Validation

VERSIONS

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Version archivée 1 de sept. 2009 par Jean CAVARELLI

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-p1111

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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 f_j qui caractérise la diffusion de l’atome en prenant comme unité celle d’un électron libre. Dans de nombreuses conditions, f_j 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 :

f = {}^{0}f + {}^{λ}δ = {}^{0}f + {}^{λ}f^{'} + i {}^{λ}f^{″}

^( 16 )

avec :

⁰f: diffusion dite normale (en absence de diffusion anomale),
^λf ’ et ^λf ’’: termes correctifs fonctions de la longueur...