GB3_UA2_coursVisualisMol [Mode de compatibilité]

Objectifs
Biophysique Appliquée
•Apprendre
à
manipuler
un
outil
informatique
permettant de visualiser et faire des mesures sur des
structures
Visualisateur moléculaire
•TP sur machine
2
1
La structure 3D donne des informations
sur la fonction biologique d’une protéine
Bases de données de structures
forme du
repliement de
la protéine
association de
sous-unités
L'analyse de structures tridimensionnelles de protéines est un
domaine de recherche plus mature que celui de l'analyse de séquences
Dès le début des années 70, il a fallu répertorier les coordonnées des
structures cristallographique des macromolécules.
localisation de
résidus mutés
ou conservés
Banque de structures PDB Protein Data Bank
Fichiers de structures (coordonnées des atomes)
forme de la
surface
liaison
protéine /
ligand
Banques de repliements CATH / SCOP
propriétés
électrostatiques
agencement du site
catalytique
Thornton & al., NSB (2000)
3
Constitution de bases de données classant les structures protéiques en
famille de repliements
Permet de détecter des parentés fonctionnelles alors que les séquences ont
profondément divergées.
4
1
Protein Data Bank
Protein Data Bank :
http://www.rcsb.org/pdb/
http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1LDB
5
6
Protein Data Bank : Format du fichier
Le format Brookhaven est le plus ancien des formats de la PDB.
La première partie contient les informations bibliographiques, la
résolution, la technique, les paramètres et remarques, la
structuration de la protéine etc…
La deuxième partie contient les coordonnées x y z pour chaque atome
de la structure.
HEADER
COMPND
SOURCE
AUTHOR
REVDAT
JRNL
JRNL
JRNL
JRNL
JRNL
JRNL
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
REMARK
OXIDOREDUCTASE(CHOH(D)-NAD(A))
27-MAR-89
1LDB
APO-*L-*LACTATE DEHYDROGENASE (E.C.1.1.1.27)
(BACILLUS $STEAROTHERMOPHILUS)
K.PIONTEK,M.G.ROSSMANN
1
12-JUL-89 1LDB
0
AUTH
K.PIONTEK,P.CHAKRABARTI,H.-*P.SCHAER,M.G.ROSSMANN,
AUTH 2 H.ZUBER
TITL
STRUCTURE DETERMINATION AND REFINEMENT OF BACILLUS
TITL 2 $STEAROTHERMOPHILUS LACTATE DEHYDROGENASE
REF
TO BE PUBLISHED
REFN
353
1
1 REFERENCE 1
1 AUTH
F.ZUELLI,H.WEBER,H.ZUBER
1 TITL
NUCLEOTIDE SEQUENCES OF LACTATE DEHYDROGENASE GENES
1 TITL 2 FROM THE THERMOPHILIC BACTERIA BACILLUS
1 TITL 3 $STEAROTHERMOPHILUS, B. $CALDOLYTICUS AND B.
1 TITL 4 $CALDOTENAX
1 REF
HOPPE-*SEYLER'S Z.PHYSIOL.
V. 368 1167 1987
1 REF 2 CHEM.
1 REFN
ASTM HSZPAZ GW ISSN 0018-4888
905
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
Coordonnée des atomes
Exemple : Structure d'une protéine dans un fichier PDB:
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7
HEADER
COMPND
SOURCE
AUTHOR
../..
OXIDOREDUCTASE(CHOH(D)-NAD(A))
27-MAR-89
APO-*L-*LACTATE DEHYDROGENASE (E.C.1.1.1.27)
(BACILLUS $STEAROTHERMOPHILUS)
K.PIONTEK,M.G.ROSSMANN
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
.../...
1
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6
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9
N
CA
C
O
CB
CG
SD
CE
N
MET
MET
MET
MET
MET
MET
MET
MET
LYS
15
15
15
15
15
15
15
15
16
x
y
-13.588
-13.226
-13.895
-15.140
-11.725
-11.104
-9.924
-9.821
-13.119
-0.703
0.402
1.677
1.685
0.575
1.015
2.368
3.190
2.712
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
3
4
5
6
69.70
70.07
69.22
70.20
71.91
73.95
77.25
75.84
67.79
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
150
151
152
153
154
155
156
157
158
z
25.519
26.461
25.956
25.872
26.630
25.305
25.759
24.146
25.727
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
8
2
Coordonnée des atomes
Utilisation d'un système
Coordonnées cartésiennes
de
Coordonnée Cartésienne
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
ATOM
.../...
coordonnées:
C'est le système le plus courant où les
coordonnées des atomes sont données en X, Y, et
Z dans l'espace 3-D avec les trois axes définis
chacun à angle droit des autres (orthogonal).
1
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9
N
CA
C
O
CB
CG
SD
CE
N
MET
MET
MET
MET
MET
MET
MET
MET
LYS
15
15
15
15
15
15
15
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16
-13.588
-13.226
-13.895
-15.140
-11.725
-11.104
-9.924
-9.821
-13.119
-0.703
0.402
1.677
1.685
0.575
1.015
2.368
3.190
2.712
25.519
26.461
25.956
25.872
26.630
25.305
25.759
24.146
25.727
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
69.70
70.07
69.22
70.20
71.91
73.95
77.25
75.84
67.79
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
1LDB
150
151
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158
Il suffit de positionner chaque
atome dans l'espace. Puis,
connaissant les liaisons entre les
atomes (liaison peptidiques +
acides aminés), on peut visualiser
la molécule.
L'unité habituelle est l'angström Å (10-8 cm).
Une petite molécule moyenne d'environ 12-15
angströms de long aura des coordonnées x, y, z
comprises entre à peu près 0 et 15 si un des
atomes à une extrémité de la molécule se trouve
à l'origine 0,0,0.
9
Autre système : coordonnées
internes
10
Visualisation moléculaire
Visualisation moléculaire
Le plus simple pour mieux comprendre l'architecture protéique est
de visualiser des structures de (macro)molécules et de les analyser.
Modèles moléculaires à la main:
Modèles moléculaires à la main:
John Kendrew 1959 modèle myoglobin
Modèle ADN Watson et Crick 1954
11
12
3
Visualisation moléculaire
Visualisation moléculaire
La visualisation d'une structure à l'aide d'un ordinateur est l'un des
premiers outils développés pour l'analyse de structures mais
également l'une des premières analyses que le biologiste souhaitera
effectuer.
On dispose des coordonnées de chaque atome (fichier PDB) et de la
connexion entre les atomes (chimie) -> Graphisme moléculaire
Le graphisme moléculaire désigne les techniques, les modes de
représentation, et les programmes informatiques de visualisation des
structures tridimensionnelles des (macro)molécules.
Observer en détail les molécules biologiques
Structure des macromolécules biologiques très complexe
nécessité de recourir à des modes de représentations simplifiés
ou schématiques
nécessité de visualiser certaines zones d’intérêt de manière
précise
nécessité de la 3D et de l’interactivité
Visualiser la structure
Tirer des informations biologiques en utilisant différents modes
de représentations pour faire apparaître la(es) propriétés
d’intérêt
Comprendre la relation structure fonction
13
Visualisation moléculaire exemple
14
Visualisation moléculaire
Afficher un objet 3D sur un écran à 2D
notion de projection (orthographique ou perspective)
même principe que l’appareil photo
15
16
4
Visualisation moléculaire
Visualisation moléculaire
Rasmol : http://rasmol.org/
Pymol : http://pymol.org/ (>0.99 versions payantes)
Swiss pdb viewer : http://www.expasy.org/spdbv/
VMD : http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
Yasara : http://www.yasara.org/index.html
Dino (Unix) : http://www.dino3d.org/
Molscript (Unix): http://www.avatar.se/molscript/
Raster 3D : http://www.bmsc.washington.edu/raster3d/raster3d.html
Web lab viewer Lite (Windows) :
http://www.marcsaric.de/index.php/WebLab_Viewer_Lite
PPG (service web) :
http://bioserv.rpbs.jussieu.fr/RPBS/html/fr/Speci_PPG.html
Affichage de l’objet de façon réaliste
modélisation de la lumière (‘depth cueing’)
propriétés du matériau (transparence, texture…)
éventuellement, stéréographie
Interactivité
pouvoir bouger l’objet
Translation
Rotation
Zoom
etc...
éventuellement, pouvoir modifier l’objet
modification du mode de représentation
Pymol (v0.99, gratuite) est téléchargeable sur le site du cours
17
RASMOL
18
PYMOL
19
20
5
PPG: générateur de films
Exemple
Principe général de Pymol
http://bioserv.rpbs.jussieu.fr/~autin/help/PMGtuto.html
Une fenêtre de travail
avec des menus
Une fenêtre de
visualisation
21
Principe général de Pymol
22
Principe général de Pymol
Ouvrir une structure: 2 solutions:
Manipulation de la vue :
File -> Open puis
aller
chercher
un fichier au
format
.pdb
stocké sur votre
disque dur.
Plugin
->
PDB
Loader service.
La rotation se fait selon
une origine de rotation.
Entrez le code (4lettres) du
fichier pdb à ouvrir (besoin
d'être
connecté
sur
Internet !)
23
24
6
Principe général de Pymol
Modes de visualisation
Les modes de visualisation sont basés sur diverses
représentations des :
atomes (tous ou certains d’entre eux)
liaisons chimiques
squelette peptidique sous forme schématique
surfaces des molécules
couleurs (selon les atomes, les structures, les sous-unités…)
Exemple sur l’inhibiteur de ribonucléase (Barstar) avec 2
logiciels :
Pymol : plus complexe, rendu de très bonne qualité
25
Représentation en fil de fer
Chaque liaison est représentée par un fil de fer (mode lines)
26
Représentation en bâton
Chaque liaison est représentée par un bâton (mode ‘stick’)
vert : C, rouge: O, bleu : N, jaune S, blanc : H
27
Protéine Barstar (code PDB: 1BTA)
28
7
Représentation en boule-bâton
Réprésentation en ruban (soigné)
Chaque atome est représenté par une sphère et chaque liaison par un
bâton (mode ‘ball and stick’)
Le squelette peptidique est représenté par un ruban idéal passant par
les atomes N, CA et C; les brins b sont représentés par des
flèches (mode ‘cartoon’)
29
Représentation en points
30
Représentation en sphère
Chaque atome est représenté par une sphère (constituée de points)
dont le rayon est égal au rayon de van der Waals (mode ‘dots’)
Chaque atome est représenté par une sphère dont le rayon est égal
au rayon de van der Waals (mode ‘CPK’ ou spheres)
31
32
8
Représentation en surface
Représentation en surface
→ La surface est représentée par une enveloppe solide
colorée (mode ‘surface’)
→ surface moléculaire : enveloppe entourant les atomes
localisés à la périphérie (accessibles au solvant)
33
Surface potentiel électrostatique
34
Représentation en ‘treillis’
→ surface
représentée sous la
forme d’une ‘cage à
poule’ ou encore
‘treillis’ (mode
‘mesh’)
→ très utilisée en
cristallographie de
rayons X
Surface accessible aux solvant et
Potentiel correspondant
Potentiel ASA sur surface simple
35
36
9
Combinaison de représentations
Combinaison de représentations
Représentation du squelette peptidique en ruban soigné (‘cartoon’) et
des liaisons en fil de fer (‘wireframe’ ou 'lines')
Représentation du squelette peptidique en ruban soigné (‘cartoon’) et
de l’Asp 39 en sphère de van der Waals (‘CPK’ ou ‘sphere’)
37
Coloration selon les structures secondaires
Représentation du squelette peptidique en ‘cartoon’
cyan : hélice α, magenta :
brin β, rose : boucle
38
Autre représentation
Représentation du squelette peptidique seul, en bâtons
39
40
10
Sélection de résidus
En résumé
Sélectionner des résidus: On peut sélectionner des résidus avec la
souris en affichant la séquence (code Aa à une lettre).
Structural Bioinformatics
Wiley 2009
41
Sélection de résidus
42
Sélection de résidus
La nouvelle sélection s'appelle (sele), on peut ensuite lui appliquer un
mode de représentation.
Conseil renommer la sélection pour la conserver puis à la fin (Action->
Rename Selection), quitter la sélection en appuyant sur le bouton.
43
44
11
Conseil renommer la sélection pour la conserver puis à la fin
(Action/Rename Selection), puis quitter la sélection en appuyant sur le
bouton. On peut également supprimer une sélection (Action/delete)
Sélection de résidus
On peut écrire une ligne de commande pour faire une sélection plus complexe:
select toto, resn phe+tyr+trp
symbol
e
name
n
resn
r
list of 1− or 2−letter chemical symbols from the
periodic table
PyMOL> select polar, symbol o+n
atom−name−list
list of up to 4−letter codes for atoms in proteins or
nucleic acids
PyMOL> select carbons, name ca+cb+cg+cd
residue−name−list
list of 3−letter codes for amino acids
PyMOL> select aas, resn asp+glu+asn+gln
or list of up to 2−letter codes for nucleic acids
PyMOL> select bases, resn a+g
resi
i
residue−identifier−list
list of up to 4−digit residue numbers
PyMOL> select mults10, resi 1+10+100+1000
residue−identifier−range
PyMOL> select nterm, resi 1−10
ss
ss
secondary−structure−type
list of single letters
PyMOL> select allstrs, ss h+s+l+""
45
46
On peut écrire une ligne de commande pour faire une sélection plus complexe:
On peut écrire une ligne de commande pour faire une sélection plus complexe:
select toto, resn phe+tyr+trp
select toto, resn phe+tyr+trp
47
48
12
On peut écrire une ligne de commande pour faire une sélection plus complexe:
Coloration selon les sous-unités
select tata, resi 10-25+6
Représentation du squelette peptidique en ‘cartoon’ (color ‘chain’)
49
Transparence
Protéine Chaperone (code PDB: 1G31)
50
Transparence
Possibilité de mettre de la transparence sur un des mode de
représentation:
Représentation du squelette peptidique en ‘cartoon’ et de la surface
en transparence à 40 % (color ‘structure’)
51
52
13
Combinaison
Faire des mesures
Représentation du squelette peptidique en ‘cartoon’, du ligand en
sticks et des atomes autour en surface -> visualisation de la poche
Protéine HIV protéase(code PDB: 1HSG)
On peut faire des mesures d'angles / distances entre des atomes
53
Faire des mutations
54
Faire des sélections complexes
Mutation:!
Choix de la mutation
Puis choix du
rotamère
(on fait défiler les
frames (flèches > <)
Possibilité de
retrouver tous
les résidus qui
sont autour
d'une sélection
particulière.
Pas de calcul
d'énergie !
55
56
14
Sauvegarder une session
Sauvegarder une image
Possibilité de
sauvegarder une
image (format
png) de votre
session.
Possibilité de
sauvegarder la
session Pymol dans
un fichier .pse
Il suffit d'ouvrir ce
fichier pour
retrouver
l'intégralité de la
session
(coloration, styles,
mesures,
orientation, etc…)
Conseil; utiliser le
bouton "Ray"
pour avoir un
rendu de
meilleure qualité
57
Sauvegarder une image
58
Sauvegarder une image
59
60
15