Combien d'enzymes différentes dans le vivant ?

[Geb]

Bonjour,

Sur la base de données MACiE, on trouve pour l'instant 4585 enzymes différentes. Mais à combien estime t-on le nombre d'enzymes différentes dans le vivant ?

J'ai fait un petit jeu hier. Il y a des résultats sur Google pour 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 75, 80, 100, 150, 200 et 500 milles enzymes. et les résultats qui sortent le plus souvent sur Google sont de 50000 et 100000 enzymes différentes dans le corps humain. Le problème, c'est que ce sont des bouquins de nutritionnistes et qu'ils ont recours à des formulations du type "les scientifiques estiment" sans citer aucune étude, ou dire quelques mots sur la méthode utilisée pour l'estimation.

Pire, un bouquin nous dit qu'il en existe quelques dizaines de milliers dans le vivant, un autre nous dit qu'il y en a 150000 dans le domaine des eucaryotes, alors que l'estimation la plus élevée (500000 enzymes différentes) ce rapporte au corps humain seulement.

J'avoue que je suis perdu. Des publications à proposer ?

Cordialement.
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[invitec0b62935]

Ca dépend de ce qu'on appelle des enzymes "différentes". Dans quel cas cosnidères-tu que les enzymes sont différentes :

1- Deux individus possèdent deux allèles différents d'un même gène codant pour une enzyme, ce qui se traduit par quelques différences en acide aminé et une légère différence d'efficacité de ces enzymes
2- La catalase est une enzyme essentielle pour catalyser l'élimination de l'eau oxygénée produite lors de la respiration cellulaire. La catalase est présente chez la plupart des eucaryotes ainsi que chez certaines archées. Les différences en acides aminés sont cependant très importantes si on compare la catalase des archées et celle des animaux même si l'activité reste la même. Ces catalases forment elles une seule ou plusieurs enzymes différentes ?
3- Un gène codant pour une enzyme est dupliqué plusieurs fois puis chacun de ces gènes évolue parallèlement. C'est par exemple le cas des S/T kinases (il y en a ~500 chez l'homme) qui sont issues d'une même kinase ancestrale, qui ont toutes la même architecture et la même activité (additionner un groupement phosphate sur une sérine ou une thréonine) et qui diffèrent par leurs spécificités et modes de régulation. Les gènes de ce 3) peuvent avoir une similarité de séquence bien plus importante que ceux du 2).
4- Deux enzymes ne partageant pas d'ancêtres communs, d'architecture différentes ont la même activité, à savoir hydrolyser la liaison peptidique dans des protéines. C'est par exemple le cas des protéases à sérine, les protéases de la famille de la trypsine et de la famille de la subtilisine.

Suivant ce que tu retiens comme définition, tu pourras arriver à des différences de plusieurs ordres de grandeur.

Edit : en fait, c'est plutot le nombre de protéines qui t'intéresse plus que le nombre d'enzymes. Les enzymes ne sont qu'une sous-partie des protéines (il y a par ailleurs quelques enzymes non protéiques mais à priori leur nombre reste faible devant le nombre d'enzymes protéiques)

[Geb]

Ca dépend de ce qu'on appelle des enzymes "différentes". Dans quel cas cosnidères-tu que les enzymes sont différentes

On va dire que je me range du côté de la méthode employée par ceux qui ont considéré qu'ont connaissait actuellement 4585 enzymes différentes (cfr MACiE database).

Suivant ce que tu retiens comme définition, tu pourras arriver à des différences de plusieurs ordres de grandeur.

Je pense plutôt que les différences sont dûes à la méthode d'approximation plutôt qu'à une définition non-universellement acceptée sur la notion d' "enzymes différentes". Cela dit, il m'est impossible de trouver une publication scientifique où une des méthodes serait expliquée.

Les enzymes ne sont qu'une sous-partie des protéines

Je ne l'ignore pas.

en fait, c'est plutot le nombre de protéines qui t'intéresse plus que le nombre d'enzymes.

Non. C'est bien au nombre d'enzymes que je m'intéresse.

Si je tentais de lire entre les lignes, j'aurais tendance à croire qu'aucun scientifique n'a jamais tenté une approximation argumentée, et que les nutritionnistes et les autres qui veulent vendre un bouquin sur l'importance des enzymes se sentent obligés de mettre un nombre quelconque, peu importe sa valeur.

Cordialement.

[invite14397db8]

En plus, pour compliquer les choses, il me semble qu'il faille désormais inclure les ribozymes.

Puis il faut voir, des enzymes similaires, ce sont des enzymes ayant la même fonction héritée d'un ancêtre commun? Ou bien des enzymes de même fonction mais d'origine différente peuvent-elles être considérées comme similaire?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitec0b62935]

On va dire que je me range du côté de la méthode employée par ceux qui ont considéré qu'ont connaissait actuellement 4585 enzymes différentes (cfr MACiE database).

Je pense plutôt que les différences sont dûes à la méthode d'approximation plutôt qu'à une définition non-universellement acceptée sur la notion d' "enzymes différentes". Cela dit, il m'est impossible de trouver une publication scientifique où une des méthodes serait expliquée.

La définition est primordiale, les différences de calcul peuvent être colossales d'une définition à l'autre. 4585 correspond à une définition très restrictive qui revient d'une certaine façon à compter le nombre de réactions chimiques différentes catalysées par des enzymes. A l'autre extrême, on peut compter le nombre de gènes codant pour des enzymes, multiplier par le nombre d'espèces vivantes et on va sans doute compter en milliards. Dans un cas comme dans l'autre, le comptage est loin d'être exhaustif, même chez l'homme il y a des milliers de gènes dont on ne connait pas la fonction et qui pourraient coder pour des enzymes possédant une activité encore inconnue.

Si je tentais de lire entre les lignes, j'aurais tendance à croire qu'aucun scientifique n'a jamais tenté une approximation argumentée, et que les nutritionnistes et les autres qui veulent vendre un bouquin sur l'importance des enzymes se sentent obligés de mettre un nombre quelconque, peu importe sa valeur.

C'est aussi ce que je pense...

[Geb]

4585 correspond à une définition très restrictive qui revient d'une certaine façon à compter le nombre de réactions chimiques différentes catalysées par des enzymes.

Dans la base de données MACiE (Mechanism, Annotation and Classification in Enzymes), il y a 321 "nombres EC" (Enzyme Commission number). Les nombres EC caractérisent chaque réaction catalysée par des enzymes. Il y aurait donc a priori 321 réactions différentes associées aux enzymes déjà cataloguées.

Le rôle d'une enzyme étant de catalyser les réactions biochimiques, il me semble que caractériser les réactions plutôt que les enzymes elles-mêmes n'est pas dénué d'intérêt. Comme toi, j'ai évidemment lu ce passage :

There are currently 4585 fully defined EC numbers, of which 1776 (shown in green) have both a sequence in SwissProt and a crystal structure in the PDB. 1052 (shown in cyan) EC numbers have a sequence in SwissProt but no crystal structure in the PDB and 2809 (shown in white) have no sequence or crystal structure in the PDB.

Il y a 4585 enzymes différentes. On connaît à la fois la séquence d'acides aminés et la structure cristalline pour 1776 d'entre elles. Pour 1052 autres, on connaît uniquement la séquence d'acides aminés. Enfin, pour le reste, soit 2809, on ne connaît ni la séquence ni la structure cristalline (mais on connaîtle minimum, c'est-à-dire le type de réaction effectivment catalysée par ces enzymes).

À la lecture de ceci, je ne peux m'empêcher de penser que l'on a attribué un nombre EC complet (avec les 4 chiffres) à 4585 enzymes différentes, mais que ces 4585 enzymes représentent seulement 321 nombres EC (réactions) différent(e)s. Qu'en penses-tu ?

La base de données MACiE comporte également 335 codes PDB différents. C'est l'acronyme de
Protein Data Bank (banque de données sur les protéines) qui recense les structures secondaires des protéines et des acides nucléiques avec une résolution inférieure ou égale à 4 angströms.

Pour ceux qui ne connaisse pas, la structure primaire d'une protéine (et les enzymes en sont pour la très grande majorité) correspond à la séquence des acides aminés la constituant. La structure secondaire correspond à la forme générale tridimensionnelle de ces différents segments. La structure tertiaire correspond à la position précise de chacun de ces atomes en trois dimensions. Il existe également une structure quaternaire, qui constitue une description de l'arrangement de plusieurs protéines en complexes protéiques.

Le CATH Code correspond à la classification structurelle des protéines et fait référence à la structure secondaire de celles-ci. La classification CATH prend également en compte le score SSAP (Sequential structure allignement program), qui correspond aux similarités séquentielles et dans une certaine mesure, structurelles entre 2 protéines. Par exemple, une protéine dont la séquence d'acides aminés est à 80 % identique à une autre à donc un score SSAP supérieur ou égal à 80 par rapport à cette protéine.

La banque de données MACiE, qui je le rappelle ne concerne que les enzymes, comprend jusqu'ici 372 codes CATH différents.

A l'autre extrême, on peut compter le nombre de gènes codant pour des enzymes, multiplier par le nombre d'espèces vivantes et on va sans doute compter en milliards.

Dans ce cas, pourquoi ne parle t-on pas, à ma connaissance, de milliards d'enzymes différentes dans les estimations que l'on peut voir sur le net ? Après tout, comme elles ne sont le reflet (malheureusement) d'aucun calcul, mais plutôt de l'impression des nutritionnistes (principalement), comment ce fait-il qu'aucun nutritionniste n'ait voulu passer de la centaines de milliers aux milliards d'enzymes différentes ?

Dans un cas comme dans l'autre, le comptage est loin d'être exhaustif, même chez l'homme il y a des milliers de gènes dont on ne connait pas la fonction et qui pourraient coder pour des enzymes possédant une activité encore inconnue.

C'est ce qui m'intéressait le plus dans la recherche de cette estimation. On arrive aujourd'hui a un pallier en matière de rythme de nouvelles découvertes (aussi bien d'enzymes que de protéines). Dans le cas des enzymes, on découvre un peu près 140 à 150 nouvelles réactions (nombres EC), ou de nouvelles de manière de les catalyser (voir la définition de la nomenclature sur les enzymes) tous les ans. Dans le cas des protéines, le rythme des nouvelles découvertes augmentait de manière exponentielle jusqu'en 2007. Depuis, il s'est stabilisé à entre 7000 et 8000 nouvelles protéines décrites par an.

Idéalement, le but de la microbiologie est d'abord de les recenser toutes (qu'il s'agissent d'enzymes ou de protéines) avant de pouvoir dresser un classement complet de l'évolution chimique de toutes ces enzymes peut-être depuis l'apparition des premiers micro-organismes.

Si le nombre de réactions différentes (nombre EC) est estimé à 500000 et que l'on en découvre 150 par an, la tâche est pharaonique. Mais si le nombre EC est estimé à 5000 ou 10000, la tâche reste relativement importante, mais quasi achevée.

Cordialement.

[invitec0b62935]

Je pense qu'avec cette définition, le nombre d'enzymes est relativement faible et qu'on en connait déjà une proportion très significative. La complexité notamment chez les eucaryotes supérieurs ne provient pas du nombre d'enzymes (et de protéines) différentes à disposition mais plutôt de la façon dont elles se combinent.

[Geb]

Je pense qu'avec cette définition, le nombre d'enzymes est relativement faible et qu'on en connait déjà une proportion très significative.

Sur quelle(s) base(s) appuies-tu cela ? Ou ce n'est peut-être qu'un sentiment qui t'inciterait à penser que le nombre de réactions biochimiques différentes catalysées par les enzymes n'est que de quelques milliers supérieur au nombre déjà identifié ?

Pour qu'une enzyme entre dans la banque de données du MACiE, il faut au moins que son activité catalytique soit pleinement connue, avec les quatre niveaux du nombre EC assignés, tels que définis en 1964 par la commission sur les enzymes. Mais ce que je n'ai pas encore compris, c'est la raison pour laquelle on trouve deux nombres EC dans les statistiques à propos de MACiE : 321 nombres EC et 4585 nombres EC. Quelle est la distinction entre les deux ?

La complexité notamment chez les eucaryotes supérieurs ne provient pas du nombre d'enzymes (et de protéines) différentes à disposition mais plutôt de la façon dont elles se combinent.

Sans aucun doute, mais la catalyse biochimique a, comme les êtres vivants eux-mêmes, une histoire évolutive qu'un recensement relativement exhaustif des enzymes et des protéines peut aider à dévoiler, avec toutes les formidables implications que cela aurait pour les recherches sur l'origine de la vie. Pour ma part, je suis convaincu que les clusters fer-soufre (exclusivement minéraux donc) furent les premières molécules abiotiques avec des propriétés catalytiques utiles à la biochimie primitive. C'est pourquoi je m'intéresse particulièrement à la base de données MACiE consacrée aux métallo-enzymes.

Cordialement.

[invitec0b62935]

Sur quelle(s) base(s) appuies-tu cela ? Ou ce n'est peut-être qu'un sentiment qui t'inciterait à penser que le nombre de réactions biochimiques différentes catalysées par les enzymes n'est que de quelques milliers supérieur au nombre déjà identifié ?

C'est un sentiment, je n'ai pas de données solides pour l'appuyer. Je constate que le nombre de nouveaux repliements et le nombre de nouvelles fonctions croit à présent beaucoup moins vite que le nombre de protéines étudiées et je pense donc qu'on se rapproche de l'asymptote.

Pour qu'une enzyme entre dans la banque de données du MACiE, il faut au moins que son activité catalytique soit pleinement connue, avec les quatre niveaux du nombre EC assignés, tels que définis en 1964 par la commission sur les enzymes. Mais ce que je n'ai pas encore compris, c'est la raison pour laquelle on trouve deux nombres EC dans les statistiques à propos de MACiE : 321 nombres EC et 4585 nombres EC. Quelle est la distinction entre les deux ?

Je n'ai pas trouvé la différence. Je suppose qu'il s'agit de définitions plus ou moins strictes : une méthanol déhydrogénase stricte, une éthanol déhydrogénase stricte et une alcool déhydrogénase (qui utilise à la fois le méthanol et l'éthanol), ça fait 1, 2 ou 3 réactions différentes ? Le cytochrome P450 qui peut traiter un grand nombre de substrats n'ayant rien à voir les uns avec les autres, ça fait combien ?

Sans aucun doute, mais la catalyse biochimique a, comme les êtres vivants eux-mêmes, une histoire évolutive qu'un recensement relativement exhaustif des enzymes et des protéines peut aider à dévoiler, avec toutes les formidables implications que cela aurait pour les recherches sur l'origine de la vie. Pour ma part, je suis convaincu que les clusters fer-soufre (exclusivement minéraux donc) furent les premières molécules abiotiques avec des propriétés catalytiques utiles à la biochimie primitive. C'est pourquoi je m'intéresse particulièrement à la base de données MACiE consacrée aux métallo-enzymes.

Je pense qu'on "connait" l'essentiel des protéines les plus anciennes dans le cas où celles-ci elles existent toujours. Par contre, il est tout à fait possible que d'autres aient disparues. Des enzymes qui utiliseraient un ion dont la concentration était élevée il y a 3,x milliards d'années et dont la concentration est aujourd'hui faible pourraient avoir été remplacées par des enzymes se passant de cet élément. Avant la Grande Oxydation et dans les conditions de température (sans doute plus élevée qu'aujourd'hui) et de pH (acide ?) de l'époque, on peut par exemple imaginer qu'il y a eu des enzymes à aluminium alors qu'à ma connaissance aucune n'est connue à l'heure actuelle. L'aluminium a en effet des propriétés assez intéressantes : il se comporte différemment de pas mal d'autres métaux (charge 3+ au lieu de 2+ pour la plupart des métaux biologiques) et il a probablement été disponible en quantités colossales aux origines de la vie. L'aluminium est cependant très sensible à l'oxydation et sa disponibilité a du s'écrouler il y a 2,5 milliards d'années, forçant les éventuels organismes l'utilisant à trouver des solutions alternatives.

[Geb]

C'est un sentiment, je n'ai pas de données solides pour l'appuyer. Je constate que le nombre de nouveaux repliements et le nombre de nouvelles fonctions croit à présent beaucoup moins vite que le nombre de protéines étudiées et je pense donc qu'on se rapproche de l'asymptote.

La limitation des fonds et/ou du nombre de chercheurs dans ce domaine de recherche n'a t-il pas un rôle à jouer dans ce plateau qui semble aujourd'hui atteint ?

J'observe également que la description d'une protéine ne peut pas rentrer dans les bases de données si la résolution structurelle (structure secondaire) est supérieure à 4 angströms. Je pense notamment à la base de données UniProt. Je ne sais pas la part des labos qui possède l'instrumentation nécessaire (diffraction X, RMN, etc...) pour passer cette limite de 4 angströms.

Je n'ai pas trouvé la différence. Je suppose qu'il s'agit de définitions plus ou moins strictes : une méthanol déhydrogénase stricte, une éthanol déhydrogénase stricte et une alcool déhydrogénase (qui utilise à la fois le méthanol et l'éthanol), ça fait 1, 2 ou 3 réactions différentes ? Le cytochrome P450 qui peut traiter un grand nombre de substrats n'ayant rien à voir les uns avec les autres, ça fait combien ?

Ne serait-ce pas plutôt les réactions découvertes par les équipes composants les labos à la base de MACiE ? Il y a d'autres équipes et d'autres bases de données, notamment BRENDA.

Je crois qu'une alcool déhydrogénase c'est, selon sa définition dans la nomenclature des nombres EC, une oxydoréductase (EC 1) agissant sur le groupe des donneurs CH-OH (EC 1.1). En désignant une alcool déhydrogénase, on a assigné que 2 chiffres sur 4 au code EC. Pour le troisième chiffre, il y a encore ces possibilités :

1.1.1 With NAD+ or NADP+ as acceptor
1.1.2 With a cytochrome as acceptor
1.1.3 With oxygen as acceptor
1.1.4 With a disulfide as acceptor
1.1.5 With a quinone or similar compound as acceptor
1.1.9 With a copper protein as acceptor
1.1.98 With other, known, acceptors
1.1.99 With other acceptors

En outre, il n'y a pas de limitation au dernier des 4 éléments du code, qui est attribué (et parfois modifié ou supprimé) au fur et à mesure des recherches. On voit par exemple que le nombre EC de la pérakine réductase est : 1.1.1.317

Je pense qu'on "connait" l'essentiel des protéines les plus anciennes dans le cas où celles-ci elles existent toujours. Par contre, il est tout à fait possible que d'autres aient disparues. Des enzymes qui utiliseraient un ion dont la concentration était élevée il y a 3,x milliards d'années et dont la concentration est aujourd'hui faible pourraient avoir été remplacées par des enzymes se passant de cet élément. Avant la Grande Oxydation et dans les conditions de température (sans doute plus élevée qu'aujourd'hui) et de pH (acide ?) de l'époque, on peut par exemple imaginer qu'il y a eu des enzymes à aluminium alors qu'à ma connaissance aucune n'est connue à l'heure actuelle. L'aluminium a en effet des propriétés assez intéressantes : il se comporte différemment de pas mal d'autres métaux (charge 3+ au lieu de 2+ pour la plupart des métaux biologiques) et il a probablement été disponible en quantités colossales aux origines de la vie. L'aluminium est cependant très sensible à l'oxydation et sa disponibilité a du s'écrouler il y a 2,5 milliards d'années, forçant les éventuels organismes l'utilisant à trouver des solutions alternatives.

Les premières cellules ont surtout utilisé les éléments qui étaient solubles dans l'eau des océans primitifs. D'une manière générale, il y a aussi une cohérence bien sûr, entre la réalité biologique et les contraintes thermodynamiques liées aux propriétés intrinsèques des ions métalliques. L'aluminium est extrêmement abondant dans la croûte terrestre, mais j'ignore si c'était également le cas dans l'océan à l'Hadéen. Difficile d'aller le vérifier. Je remarque également qu'on estimait l'abondance de fer à entre 1 et 4 mM à l'Hadéen (vers ~4 milliards d'années avant le présent) contre entre 0,05 et 2 nM aujourd'hui. Dans la base de données MACiE, il y a 13 métaux différents utilisés par le vivant. Effectivement l'aluminium n'y figure pas.

Il y a plusieurs cours sympas sur les métallo-enzymes sur le site du Collège de France (par le chimiste de formation Marc Fontecave). En voilà un :

Les métaux : des origines aux biocatalyseurs d'aujourd'hui

Cordialement.

[invitec0b62935]

La limitation des fonds et/ou du nombre de chercheurs dans ce domaine de recherche n'a t-il pas un rôle à jouer dans ce plateau qui semble aujourd'hui atteint ?

La situation n'est peut-être pas fameuse en France actuellement mais il y a plein d'autres pays où ça tourne très bien. Je pense que le ralentissement du nombre de nouvelles enzymes découvertes est réellement lié au fait que le nombre d'enzymes totalement nouvelles restant à découvrir diminue à présent rapidement.

J'observe également que la description d'une protéine ne peut pas rentrer dans les bases de données si la résolution structurelle (structure secondaire) est supérieure à 4 angströms. Je pense notamment à la base de données UniProt. Je ne sais pas la part des labos qui possède l'instrumentation nécessaire (diffraction X, RMN, etc...) pour passer cette limite de 4 angströms.

La résolution de x angströms s'applique uniquement aux structures par diffraction des rayons X (et pour quelques très rares cas, à la microscopie électronique), la RMN utilisant des statistiques différentes. Cela dit, les structures résolues par diffraction des rayons X doivent représenter 80 ou 90% du total.
Dans ce cas, la résolution dépend essentiellement de la qualité des cristaux de protéines obtenus. Un excellent cristal pourra diffracter à 1,5 voire 1 angstrom alors qu'un cristal de mauvaise qualité atteindra péniblement 4, voire 10 angstroms ou pire ne diffractera pas du tout. L'équipement nécessaire à la collecte des données n'est plus décisif, tout les biologistes ont aujourd'hui accès à des sources de rayon X de très haute qualité (Saclay et Grenoble pour la France) capables d'obtenir le maximum d'un cristal. Le problème est d'obtenir les cristaux : n'importe qui est capable de produire des cristaux de lysozyme (une enzyme cristallisant très efficacement) diffractant à 1,5 angströms ou mieux, par contre personne ne sait faire la même chose avec la protéine gp160 du HIV (une protéine particulièrement récalcitrante à la cristallisation).

Sinon, la diffraction des rayons X et la RMN servent à déterminer la structure tertiaire (et quaternaire si il y a lieu), pas seulement à déterminer la structure secondaire.

[Geb]

Je pense que le ralentissement du nombre de nouvelles enzymes découvertes est réellement lié au fait que le nombre d'enzymes totalement nouvelles restant à découvrir diminue à présent rapidement.

Soit...

La résolution de x angströms s'applique uniquement aux structures par diffraction des rayons X (et pour quelques très rares cas, à la microscopie électronique), la RMN utilisant des statistiques différentes. Cela dit, les structures résolues par diffraction des rayons X doivent représenter 80 ou 90% du total.
Dans ce cas, la résolution dépend essentiellement de la qualité des cristaux de protéines obtenus. Un excellent cristal pourra diffracter à 1,5 voire 1 angstrom alors qu'un cristal de mauvaise qualité atteindra péniblement 4, voire 10 angstroms ou pire ne diffractera pas du tout. L'équipement nécessaire à la collecte des données n'est plus décisif, tout les biologistes ont aujourd'hui accès à des sources de rayon X de très haute qualité (Saclay et Grenoble pour la France) capables d'obtenir le maximum d'un cristal.

Je lis relativement souvent sur le forum qu'on ne connaît absolument rien de la vie...

J'imagine que pour comprendre correctement le vivant, il faudrait être capable d'observer in vivo les interactions biochimiques au sein d'une cellule, ce qui n'est pas simple. Pour comprendre ce qui s'y passe, la résolution temporelle devrait être de l'ordre de 100 femtosecondes (10^-13 s), et la résolution spatiale de l'ordre d'un angström (10^-10 m), soit approximativement le rayon de van der Waals d'un atome.

Pas simple de trouver les techniques qui pourraient permettre ce genre d'exploit. Dans cet article de Wikipédia :

Structural biology

On cite plusieurs techniques de résolution spatiale (a priori) adéquates :

- Macromolecular crystallography,
- NMR,
- EPR,
- Cryo-electron microscopy (cryo-EM)
- Multiangle light scattering,
- Small angle scattering,
- Ultra fast laser spectroscopy, and
- Dual Polarisation Interferometry and circular dichroism.

Est-ce une liste exhaustive ? Quelle est selon toi la plus prometteuse d'entre elles ? Personnellement, je n'avais entendu parler que des 2 premières : la cristallographie par diffraction de rayons x et la microscopie à force de résonance magnétique. Il va falloir que je me documente un peu plus...

Cordialement.

[invitec0b62935]

J'imagine que pour comprendre correctement le vivant, il faudrait être capable d'observer in vivo les interactions biochimiques au sein d'une cellule, ce qui n'est pas simple. Pour comprendre ce qui s'y passe, la résolution temporelle devrait être de l'ordre de 100 femtosecondes (10^-13 s), et la résolution spatiale de l'ordre d'un angström (10^-10 m), soit approximativement le rayon de van der Waals d'un atome.

C'est actuellement hors de portée hormis quelques très rares cas non généralisables. La précision spatiale est bonne. En combinant des outils mathématiques avec les données expérimentales, on peut déterminer pour la plupart des positions atomiques à quelques dixièmes d'angströms près, soit une valeur bien inférieure à la résolution de la structure. Par contre, on n'a aucune résolution temporelle. En microscopie électronique comme en diffraction des rayons X, on travaille sur des protéines figées dans leur conformation la plus stable (ou une des plus stables). En RMN on travaille en solution mais ça ne change rien, le signal obtenu sera la moyenne de tous les signaux de chaque protéine et au final on n'observera que les états les plus stables. Dans ces différentes techniques, on peut ensuite utiliser des ruses pour accéder à des états moins stables, par exemple en stabilisant un intermédiaire réactionnel à l'aide d'un inhibiteur mais encore une fois il s'agira d'un instantané. Dans le meilleur des cas, on obtiendra donc une série d'images correspondant à différentes étapes et il faudra les remettre dans l'ordre et essayer de comprendre comment on passe d'une image à une autre.

Est-ce une liste exhaustive ? Quelle est selon toi la plus prometteuse d'entre elles ? Personnellement, je n'avais entendu parler que des 2 premières : la cristallographie par diffraction de rayons x et la microscopie à force de résonance magnétique. Il va falloir que je me documente un peu plus...

Actuellement, il y a trois méthodes essentiellement. La méthode la plus productive actuellement et de très loin est la diffraction des rayons X sur des cristaux, puis vient la RMN et enfin la microscopie électronique. Elles ont chacune leurs points forts et leurs points faibles et les trois sont prometteuses chacune dans leur domaine. La combinaison de différentes méthodes est d'ailleurs de plus en plus populaire et permet d'accéder à des données qu'aucune méthode prise isolément aurait permis d'obtenir.

Les autres méthodes mentionnées ne permettent pas d'accéder à la résolution atomique, par contre certaines d'entre elles permettent d'accéder à des paramètres cinétiques.

[Geb]

Bonsoir,

C'est actuellement hors de portée hormis quelques très rares cas non généralisables. La précision spatiale est bonne.

J'ai pris le temps de me documenter sur l'histoire des techniques qui ont déjà atteint une résolution atomique, ou qui sont en passe de le faire. Les voici :

- Cristallographie macromoléculaire : appliquée pour la première fois à la biochimie par Max Perutz en 1937 (2D) et par Sir John Cowdery Kendrew en 1955 (3D).

- Résonance magnétique nucléaire : appliquée pour la première fois à la biochimie par Kurt Wüthrich en 1968.

- Résonance paramagnétique électronique : appliquée pour la première fois à la biochimie par Helmut Beinert en 1968.

- Microscopie cryo-électronique : appliquée pour la première fois à la biochimie par un groupe mené par Jacques Dubochet en 1984.

- Microscopie à force de résonance magnétique : appliquée pour la première fois à la biochimie par Othmar Züger et Daniel Rugar en 1993.

Ce que je retire de cette recherche documentaire, c'est que la biologie moléculaire ne dispose d'instruments d'observation efficaces que depuis très peu de temps. Nos capacités de déchiffrer les mécanismes physico-chimiques régissant les êtres vivantes vont "exploser" dans les décennies à venir !

Par contre, on n'a aucune résolution temporelle.

En effet. Cela dit, je crois avoir trouvé quelques pistes, qui sont utilisées actuellement pour étudier l'activité des "moteurs biomoléculaires" au sein des cellules vivantes.

Par exemple, ici : Molecular motor

In experimental biophysics, the activity of molecular motors is observed with many different experimental approaches, among them:

- Fluorescent methods: fluorescence resonance energy transfer (FRET), fluorescence correlation spectroscopy (FCS), total internal reflection fluorescence (TIRF)
- Magnetic tweezers can also be useful for analysis of motors that operate on long pieces of DNA
- Neutron spin echo spectroscopy can be used to observe motion on nanosecond timescales
- Optical tweezers are well-suited for studying molecular motors because of their low spring constants
- Single-molecule electrophysiology can be used to measure the dynamics of individual ion channels

Many more techniques are also used.

Je vais chercher un peu de ce côté-là quand je trouverai le temps.

Cordialement.

[Geb]

Bonsoir,

Finalement, c'est bien la spectroscopie à écho de spin neutronique qui est la plus prometteuse. Pour l'instant, elle a atteint une résolution temporelle de quelques dizièmes de microsecondes et une résolution spatiale d'un nanomètre.

Quelques infos supplémentaire ici : Neutron spin echo

The extraordinary power of NSE spectrometry was further demonstrated recently^[3][4] by the direct observation of coupled internal protein dynamics in the proteins NHERF1 and Taq polymerase, allowing the direct visualization of protein nanomachinery in motion.

Avec 2 liens vers des articles célèbres relatant des expériences dans lesquelles cette techniques est utilisée pour étudier "en direct" le mouvement de protéines :

Coupled protein domain motion in Taq polymerase revealed by neutron spin-echo spectroscopy (Bu & al., 2005)

Activation of Nanoscale Allosteric Protein Domain Motion Revealed by Neutron Spin Echo Spectroscopy (Farago & al., 2008)

Tous cela est très encourageant ! Je ne m'attendais pas du tout à de telles prouesses.

Ces articles sont cités ailleurs sur Wikipédia. Par exemple ici : Protein dynamics

The presence of multiple domains in proteins gives rise to a great deal of flexibility and mobility, leading to protein domain dynamics.^[53] Domain motions can be inferred by comparing different structures of a protein (as in Database of Molecular Motions), or they can be directly observed using spectra^[54][55] measured by neutron spin echo spectroscopy.

Un pdf que j'ai trouvé intéressant pour expliquer le potentiel de la méthode, avec des expériences in vivo sur Escherichia coli :

The cell is a highly crowded environment, made up of large macromolecular machines such as ribosomes, macromolecules such as proteins, RNA and DNA, water molecules and ions. Since this crowded environment differs dramatically in its properties from the dilute solutions used in biochemical studies, neutron work on whole cells is of particular interest and opens up exciting possibilities to answer important questions. Previous experiments in our lab were conducted on extremophile bacteria and showed how adaptation to different environments can be reflected in global macromolecular dynamics [1]. Here we aimed to examine the diffusion of proteins in vivo, by neutron spin echo spectroscopy.

Vivement que les résolutions spatiale et temporelle s'améliorent ! D'ailleurs c'est un labo français, le célèbre Institut Laue-Langevin (ILL), qui semble à la pointe de la recherche dans le domaine.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

C'est actuellement hors de portée hormis quelques très rares cas non généralisables. La précision spatiale est bonne. En combinant des outils mathématiques avec les données expérimentales, on peut déterminer pour la plupart des positions atomiques à quelques dixièmes d'angströms près, soit une valeur bien inférieure à la résolution de la structure. Par contre, on n'a aucune résolution temporelle.

Une présentation de David Bolinsky (en anglais avec transcription traduite en français) filmée en mars 2007 :

Visualizing the wonder of a living cell

Je la poste ici parce qu'à partir de 6:50, il passe une vidéo réalisée par son équipe pour l'Université Harvard (Massachusetts) illustrant des moteurs biomoléculaires.

Sur le même sujet, j'ai aussi regardé une conférence en français (~68 minutes) du biophysicien Richard Lavery filmée le 21 juin 2006 :

La modélisation des molécules de la vie

À la fin de la conférence (à partir de 52:17), il présente une simulation d'Adrian Elcock et de Sean McGuffee, d'un millier de molécules organiques en interaction pendant quelques dizaines de 10 microsecondes.

Elle disponible sur le site Molecular Movies

A simulation of a protein solution

Le papier original de Elcock & McGuffee, publié en août 2006 :

Atomically Detailed Simulations of Concentrated Protein Solutions: The Effects of Salt, pH, Point Mutations, and Protein Concentration in Simulations of 1000-Molecule Systems

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

J'ai trouvé un résumé de l'évolution du nombre de réactions enzymatiques différentes connues depuis la publication du premier rapport de la Commission sur les enzymes en 1961 :

1961 : 712
1964 : 875
1972 : 1770
1978 : 2122
1984 : 2477
1992 : 3196

Source : Historical Introduction

Pour donner un exemple, la sixième édition de la nomenclature es enzymes, publiée en mai 1991, contenait à l'origine 3540 réactions enzymatiques. Cependant, certaines ont été effacées depuis, ou incluses dans d'autres nombres EC préexistants.

L'édition complète de 1992 fut la dernière et depuis 2000, les suppléments ne sont publiés que sur le web.

Voir ici : Archive record

Andreini & al. (2008) note qu'en février 2008, on connaissait 4066 réactions enzymatiques différentes.

Lorsque j'ai regardé pour la première fois la base de données MACiE, le 18 janvier 2012, elle ressençait 4585 réactions enzymatiques différentes. Depuis, ce chiffre n'a toujours pas été actualisé. Voir :

Overview statistics of the MACiE database

Pour rappel, la diastase a été la première enzyme découverte. Elle a été identifiée par Jean-François Persoz et Anselme Payen, travaillant dans une usine française de sucre, où l'enzyme a été extraite d'une solution de malt en 1833.

En résumé :

1961 : 712
1964 : 875
1972 : 1770
1978 : 2122
1984 : 2477
1992 : 3196
2008 : 4066
2012 : 4585

Ce qui signifie qu'en l'espace de 47 mois, on a découvert 519 nouvelles réactions enzymatiques différentes. Il est fort probable que quelques centaines soient supprimés à l'avenir, mais d'autres viendront s'y ajouter à la prochaine actualisation. Malgré tout, c'est sans doute une progression record (132 par an) en si peu de temps.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

J'ai regardé une conférence de Gustavo Caetano-Anolles, datée du 24 mai 2011 :

- The phylogenomic roots of modern biochemistry

Pour ceux que ça intéresse, j'en ai parlé avec plus de détails ici :

http://forums.futura-sciences.com/bi...ml#post4254124

Il y une petite chose que je n'ai pas bien compris dans cette conférence et qui pourtant m'intéresse beaucoup.

À partir de 2:46 dans la vidéo, il dit approximativement ceci :

Change occurs very rapidly at the sequence level. A rough calculation of the numbers of changes that you would expect on Earth in terms of sequence (new sequence that covers sequence space) would be at the millisecond level. So every millisecond you will have many new sequences coming to play.

En fait, son graphique parlait de 10^-15 an (et pas d'une milliseconde), donc ça fait plutôt de l'ordre de ~30 nanosecondes. Que voulait-il dire par là ? Qu'est censé indiquer ce laps de temps exactement ?

Cordialement.

[invite179e6258]

salut,

je n'ai pas regardé la video, je ne fais qu'interpréter la phrase anglaise que tu cites. A mon avis il calcule le nombre de méioses et/ou mitoses par unité de temps sur tous les organismes vivants de la planète et il applique un taux moyen de mutations par nucléotide et par copie pour obtenir ce taux d'apparition de nouvelles séquences.

[Geb]

Bonsoir toothpick-charlie,

je n'ai pas regardé la video, je ne fais qu'interpréter la phrase anglaise que tu cites.

C'est justement pour ça que j'ai pris le temps de retranscrire cette phrase. Dans l'optique de faire gagner du temps.

A mon avis il calcule le nombre de méioses et/ou mitoses par unité de temps sur tous les organismes vivants de la planète et il applique un taux moyen de mutations par nucléotide et par copie pour obtenir ce taux d'apparition de nouvelles séquences.

Je te remercie, tu as sûrement raison.

Finalement ce n'est pas le sens que j'imaginais... Quels sont les processus biochimiques les plus rapides connus ? On cite souvent les interactions ligand-protéine (~100 femtosecondes), mais est-ce bien ça ?

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Petit rappel :

Pour ceux qui ne connaisse pas, la structure primaire d'une protéine (et les enzymes en sont pour la très grande majorité) correspond à la séquence des acides aminés la constituant. La structure secondaire correspond à la forme générale tridimensionnelle de ces différents segments. La structure tertiaire correspond à la position précise de chacun de ces atomes en trois dimensions. Il existe également une structure quaternaire, qui constitue une description de l'arrangement de plusieurs protéines en complexes protéiques.

Je viens de trouver plus d'infos à ce sujet :

Dans le cas des protéines, le rythme des nouvelles découvertes augmentait de manière exponentielle jusqu'en 2007. Depuis, il s'est stabilisé à entre 7000 et 8000 nouvelles protéines décrites par an.

Sur le site de la Protein Data Bank, il existe plusieurs tableaux statistiques, par exemple, le nombre de structures de protéines déterminées en fonction de la technique utilisée :

RCSB PDB Statistics

Un de ces tableaux est particulièrement intéressant :

Yearly Growth of Total Structures

On voit qu'en 2012, sur un total de 18876679 de protéines distinctes connues (base de données UniProt en date du 11 novembre 2012), "seulement" 86172 structures protéiques ont été déterminées. Mais le nombre de structures connues augmente à un rythme annuel toujours croissant :

2011 : 8076,
2010 : 7897,
2009 : 7383,
2008 : 6957,
2007 : 7198,
2006 : 6474,
2007 : 5359,
2006 : 5181,
2005 : 4167,
2004 : 3001,
2003 : 2831,
2002 : 2627
[...]

J'ai aussi trouvé le site internet de la classification SCOP (Structural Classification of Proteins) :

SCOP: Structural Classification of Proteins

Pour rappel, cette classification s'intéresse aux domaines, touchant à la structure tridimensionnelle des protéines. Les domaines sont les constituants semi-indépendants de la structure 3D globale d'une protéine. Dans la classifications SCOP, les protéines sont subdivisées 7 grandes classes :

1) All alpha proteins
2) All beta proteins
3) Alpha and beta proteins (a/b)
4) Alpha and beta proteins (a+b)
5) Multi-domain proteins
6) Membrane and cell surface proteins
7) Small proteins

L'hélice alpha et les feuillets Bêta font références aux deux grandes conformations de la structure secondaire des protéines.

Ensuite, chaque protéine est subdivisée en ces domaines qui sont ensuite eux-mêmes classés en familles, celles-ci en superfamilles, ces dernières en repliements ("folds") :

Les données de la SCOP les plus récentes datent du 1er février 2012 :

2012-02-01

135634 Domains
4272 Families
1961 superfamilies
1194 folds

On remarquera que ces 135634 domaines correspondent à seulement 49219 protéines de la base de données PDB, soit ~57% de l'étendue des données disponibles.

L'évolution des statistiques depuis le 20 octobre 1997 est disponible ici :

Scop Classification Statistics

Entre autre chose étonnante, le nombre de repliements et de superfamilles identifiés n'augmentent plus depuis la classification de fin février 2009.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Dans la publication de mai 2008 (Andreini et al., 2008), la situation était la suivante :

We used the PDBSProtEC database [10] to associate the known enzyme structures deposited in the PDB as of February 2008 with a total of 1,371 distinct Enzyme Commission (EC) numbers. […] Three-dimensional structures of enzymes deposited in the PDB cover 1,371 EC numbers (corresponding to about 34% of all EC numbers) and 188 subsubclasses (about 82% of all subsubclasses).

En outre, on peut y lire (voir Fig. 1a en page 4) qu’en février 2008, on connaissait 4066 nombres EC au total. On connaissait donc la structure de 1371 d’entre eux et parmi ces derniers, 558 contenaient des ions métalliques catalytiques (soit 40,7 %).

Aujourd’hui la base de données gérée par Claudia Andreini et ses collègues de l’Université de Florence s’appelle MetalPDB.

Sur ce même site, on trouve un bilan très intéressant basé sur 148876 structures de la Protein Data Bank (on connaît 186934 structures aujourd’hui). Aujourd’hui, d’après la base de données BRENDA, on connaît 8282 nombres EC.

Dans ce bilan, ils font état de 4671 nombres EC dont on connaît la structure et qui contiennent des ions métalliques (soit plus de 8 fois plus qu’en février 2008). J’observe également que les découvertes fondamentales de 2008 se vérifient toujours aujourd’hui : quel que soit l’organisme concerné, au moins 30 à 40 % de ses enzymes ont absolument besoin d’un ou de plusieurs ions métalliques pour assurer leur fonction catalytique et ces "ions métalliques essentiels" connus sont toujours au nombre de 13 : sodium, magnésium, potassium, calcium, vanadium, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre, zinc, molybdène, tungstène.

Cordialement.