Modélisation d’un site actif enzymatique à l’aide d’un logiciel gratuit de visualisation moléculaire

Visualiser des macromolécules biologiques est une compétence essentielle pour les étudiants et les professionnels des sciences biologiques. Dans ce protocole, nous montrons comment modéliser le site actif de l’enzyme glucokinase en utilisant quatre programmes disponibles gratuitement pour la modélisation moléculaire. Ce tutoriel met en évidence plusieurs étapes du protocole pour chaque programme, qui comprend la sélection de ligands liés et l’utilisation des ligands pour afficher les acides aminés et les molécules d’eau dans cinq angströms.

Les informations à l’appui de ce manuscrit contiennent une vidéo dédiée à chaque programme, qui détaille toutes les étapes du protocole avec plus d’explications. La structure modélisera PDBID. 3FGU représente le complexe catalytique de l’enzyme glucokinase.

Le site actif de l’enzyme est lié à deux de ses substrats, le bêta-D-glucose, qui a donné l’identifiant BGC et un ion magnésium, MG. De plus, cet analogue de substrat, un acide phospho aminophosphophospho-phosphorique, ester adénylate, ANP est lié au site actif de la glucokinase. Cet analogue non hydrolysable de l’adénosine triphosphate, l’ATP, empêche la réaction de phosphorylation de se produire, ce qui capture le complexe de site actif pré-catalyse. L’interface du programme de modélisation UCSF ChimeraX contient des menus déroulants, une barre d’outils, la visionneuse de structure et une ligne de commande.

Nous commencerons le protocole par l’étape 1.4, en sélectionnant les résidus dans cinq angströms pour définir un site actif. Pour sélectionner les ligands, appuyez sur Ctrl Maj et cliquez sur n’importe quel atome ou liaison dans chacun des trois ligands. Appuyez sur la touche fléchée vers le haut jusqu’à ce que les trois ligands soient mis en surbrillance avec une lueur verte.

Définissez la sélection pour une utilisation ultérieure en cliquant dans le menu déroulant, sélectionnez Définir le sélecteur, tapez des ligands pour le nom de la sélection et cliquez sur OK. Encore une fois, à l’aide du menu de sélection, sélectionnez la zone. Basculez-le sur les résidus et assurez-vous que la case supérieure est cochée.

Cliquez sur OK. Notez que les parties du dessin animé dans les cinq angströms de ces ligands sont mises en évidence. Pour afficher les chaînes latérales sous forme de bâtons et afficher les molécules d’eau du site actif, utilisez le menu Des liaisons atomiques d’actions pour les afficher.

Ou activez-les avec ces boutons ici. Pour effacer la sélection, cliquez n’importe où dans l’espace vide. Le résultat final de ce protocole devrait être un modèle avec le site actif de la protéine et les ligands représentés sous forme de bâtonnets colorés de manière contrastée.

Les principales interactions de liaison polaire sont indiquées avec des lignes pointillées et certains des résidus qui établissent des contacts sont étiquetés. L’interface iCn3D contient des menus déroulants, la visionneuse de structure et un journal de commandes. Cette vue affiche les menus contextuels de sélection et de séquence et d’annotations, qui apparaissent lorsque l’utilisateur exécute les commandes qui en ont besoin.

Nous commencerons le protocole à l’étape 2.4, en sélectionnant les résidus dans cinq angströms pour définir un site actif. Pour sélectionner les ligands, utilisez le menu déroulant Sélectionner et cliquez sur Sélectionner en 3D, assurez-vous que les résidus sont vérifiés. Maintenez enfoncé le bouton alt sur un PC ou le bouton d’option sur un Mac, cliquez sur le premier ligand.

Appuyez ensuite sur Ctrl et cliquez sur les deux ligans restants pour les ajouter à la sélection. Enregistrez la sélection à l’aide du menu déroulant, cliquez sur Sélectionner, enregistrez la sélection, entrez un nom et cliquez sur Enregistrer. Le menu contextuel de sélection des ensembles apparaîtra maintenant avec les trois ligands sélectionnés.

Sélectionnez maintenant les résidus dans cinq angströms des ligands. Utilisez le menu déroulant sélectionner par distance. Dans le menu contextuel qui s’affiche, modifiez la lance du deuxième élément avec un rayon à cinq angströms en tapant dans le bloc, cliquez sur afficher.

Et puis fermez la fenêtre en cliquant sur le X dans le coin supérieur droit. Enregistrez les cinq sites actifs angstrom en cliquant sur le menu déroulant, sélectionnez Enregistrer la sélection et utilisez le clavier pour saisir un nom. Cliquez ensuite sur Enregistrer.

Créez maintenant une nouvelle sélection qui combine les deux ensembles. Ceux-ci peuvent être combinés dans le menu contextuel sélectionner des ensembles. Sur un PC, cliquez sur les deux ensembles de contrôle ou sur un clic de commande Mac.

Encore une fois, cliquez sur le menu déroulant, sélectionnez Enregistrer la sélection et tapez un nouveau nom, puis cliquez sur Enregistrer. Pour afficher les interactions telles que les liaisons hydrogène, utilisez le menu d’analyse et sélectionnez les interactions. Nous ne nous intéresserons qu’aux liaisons hydrogène et aux ponts salins ici.

Nous allons donc décocher le reste d’entre eux. Nous allons sélectionner trois ligands. Et pour le deuxième set, les résidus dans cinq angströms.

Cliquez sur Interactions d’affichage 3D et fermez la fenêtre. Cela montre certains des résidus qui interagissent, mais cela ne montre pas l’ensemble du site actif des cinq angstrom. Pour afficher cela, utilisez à nouveau le menu Sélectionner les ensembles.

Cliquez sur cinq angstrom pleins, puis dans le menu déroulant, cliquez sur les chaînes latérales de style, les bâtons. Pour appliquer la coloration CPK, cliquez sur le menu déroulant des couleurs et cliquez sur atome. Le résultat final du protocole devrait être un modèle qui ressemble à ceci avec le site actif de la protéine et le ligand montré sous forme de bâtons colorés de manière contrastée.

Les interactions de liaison importantes sont indiquées avec des lignes pointillées et tous les résidus dans l’une des sélections créées au cours du protocole sont étiquetés. L’interface Jmol contient des menus déroulants, une barre d’outils, la visionneuse de structure, un menu contextuel et la console Jmol contenant la ligne de commande. Nous commençons le protocole Jmol à l’étape 3.4, en sélectionnant les résidus dans cinq angströms pour définir un site actif.

La console Jmol est le meilleur moyen de sélectionner les résidus dans cinq angströms. Tapez cette commande pour sélectionner des résidus dans cinq angströms des trois ligands. 193 atomes sont sélectionnés mais ceux-ci ne représentent pas tous les résidus d’acides aminés.

Pour les sélectionner, utilisez la commande tapée, sélectionnez within(group, selected) et appuyez sur Entrée. Notez que des halos de sélection supplémentaires apparaissent. Pour afficher ces résidus sous forme de bâtons, faites un clic droit pour afficher le menu contextuel, passez le curseur de la souris sur le style, le schéma, puis cliquez sur bâtons.

Remarquez qu’il y a encore des halos vides ici. Ce sont les molécules d’eau dans le site actif. Pour sélectionner uniquement les molécules d’eau, nous pouvons réexécuter cette commande puis la modifier.

Cliquez dans la console, puis utilisez les touches fléchées vers le haut pour trouver cette commande et cliquez sur Entrée pour la réexécuter. Pour afficher les molécules d’eau sous forme d’atomes, nous voulons supprimer la sélection du ligand et de la protéine. Nous allons taper deux commandes pour ce faire.

Nos ligans sont considérés comme des groupes hétéros, mais l’eau est également considérée comme un. Donc, dans le cadre de ce commandement, nous devons définir que nous n’enlevons pas l’eau. Appuyez sur Entrée et maintenant seules les molécules d’eau sont sélectionnées.

Cliquez sur le menu déroulant, survolez atom et cliquez sur 20% du rayon de van der Waals. L’ion magnésium vert est toujours représenté sous forme de bâtons. Le plus souvent, les ions sont représentés sous forme de sphères.

Cliquez dans la console Jmol, puis tapez select MG, puis espacez remplir 50%Les ligands à l’intérieur des chaînes sont colorés de manière identique. Pour les distinguer les uns des autres, il est utile de recolorer les ligands. Dans la console, j’exécuterai une commande multiligne, que j’ai copiée-collée à partir d’une feuille de triche que je développe dans la vidéo supplémentaire de Jmol.

Le résultat de ce protocole devrait être un modèle qui ressemble à ceci avec le site actif de la protéine montré sous forme de bâtonnets. Et les ligands nous ont montré des bâtons dans un schéma de couleurs plus doux. Les lignes jaunes indiquent les interactions de liaison et les résidus individuels sont étiquetés comme souhaité.

L’interface PyMOL contient des menus déroulants, la visionneuse de structure, le panneau d’objets de noms et le menu de contrôles de la souris. La ligne de commande principale est également étiquetée dans cette figure. Nous commençons le protocole primaire à l’étape 4.4, en sélectionnant les résidus dans cinq angströms pour définir un site actif.

Pour sélectionner les ligands, cliquez sur chacun d’eux. Une nouvelle sélection apparaît, qui peut être renommée en cliquant sur le bouton A. À l’aide du clavier, supprimez les lettres sele et tapez ligans à leur place.

Appuyez sur Entrée. Nous pouvons utiliser cette sélection pour définir la zone qui l’entoure. Commencez par cliquer sur le bouton A et sélectionnez l’élément de menu dupliqué.

Dans cette nouvelle sélection, sel01, cliquez sur A et sélectionnez l’élément de menu Renommer. À l’aide du clavier, supprimez les lettres existantes et tapez active. Il s’agit toujours de sélectionner nos trois ligands, nous devrons donc le modifier à nouveau, en utilisant le bouton D’actions A.

Cliquez sur le bouton, sélectionnez Modifier et développez la sélection de cinq angstroms. Maintenant, nous avons capturé les ligands et les résidus dans cinq angströms. Le S sur le bouton S signifie spectacle.

Cliquez dessus pour afficher la protéine de différentes manières. Nous montrerons cette réglisse sous forme de bâtonnets. Cliquez dans l’espace vide pour effacer la sélection.

Cela a capturé les acides aminés dans cinq angströms, mais pas l’eau. Nous pouvons à nouveau dupliquer la sélection et maintenant la modifier pour sélectionner uniquement l’eau. Dans le bouton Actions A, dupliquer.

La sélection 2 s’affiche. Renommons cela en eau active. Cette fois, nous utiliserons le bouton A pour modifier, autour pour sélectionner les atomes autour de notre sélection.

Atomes dans quatre angströms. Cela a sélectionné l’eau mais aussi quelques atomes des chaînes latérales. Pour modifier davantage cela, utilisez le bouton A pour modifier et limiter au solvant.

Maintenant, nous pouvons voir que seules les molécules d’eau sont allumées. Encore une fois dans le bouton A, nous pouvons appliquer un préréglage. Sélectionnez le préréglage, la boule et le bâton et maintenant les molécules d’eau sont affichées sous forme de sphères.

Le résultat final du protocole est un modèle qui ressemble à ceci avec le site actif dans les ligands montrés sous forme de bâtons colorés de manière contrastée. Les lignes de tiret jaunes montrent les interactions de liaison polaire et les résidus individuels sont étiquetés à l’aide des sélections créées dans le panneau d’objets Noms. Des erreurs dans l’exécution du protocole peuvent conduire à des résultats sous-optimaux.

Par exemple, la protéine entière est affichée sous forme de bâtonnets. Pour résoudre les problèmes, l’utilisateur devra d’abord masquer la représentation du bâton pour l’ensemble de la structure. Et puis réaffichez la représentation du bâton uniquement pour l’objet appelé actif à l’aide du bouton S.

Ici, les modèles générés à l’aide de chaque programme sont affichés côte à côte. Bien qu’il existe des différences dans l’affichage de l’enzyme, les mêmes caractéristiques et interactions clés peuvent être observées dans chacun des quatre modèles. Un utilisateur intéressé à maîtriser l’un des programmes contenant une ligne de commande veut apprendre à appliquer et à modifier des commandes typées.

Comme je l’ai mentionné dans le protocole Jmol, un outil utile est une feuille de triche de commande. Fichier texte brut contenant des codes fréquemment utilisés pour référencer. Pour devenir un utilisateur avancé, il est utile de comprendre quelles parties du protocole peuvent être adaptées et modifiées.

Avec la pratique, ces protocoles peuvent être appliqués pour modéliser n’importe quel site actif enzymatique d’intérêt.