Etude de l'insuline en première S avec le logiciel Rasmol
Jean Marc Coulais-Lycée de la Venise Verte- 79000 NIORT

 

Place dans la progression et objectifs

Cette étude se situe dans le chapitre "La glycémie et les phénotypes diabétiques" abordée en début d'année avant l'étude du chapitre "Du génotype au phénotype, relations avec l'environnement".

Cette séance répond à plusieurs objectifs :

  • pour le thème en cours :
    • clarifier la structure du vivant aux différentes échelles : cellule, molécule, atome
    • montrer une relation entre structure et fonction,
    • mettre en évidence la forme d'une protéine pour aborder les relations hormone-récepteur et faciliter l'approche de certains phénotypes diabétiques...
  • pour le thème suivant :
    • aborder plusieurs prérequis de biologie moléculaire pour l'étude de la synthèse des protéines : protéine, acide aminé, liaison covalente, liaisons hydrogène, relations entre séquence des acides aminés et forme tri-dimensionnelle...
Supports et informations scientifiques

A propos de Rasmol et de son utilisation

Cette étude est basée sur l'utilisation du logiciel Rasmol : module raswin.exe version 6 en anglais et du module command line pour la collecte d'informations et la saisie de commandes. L'utilisation du module command line impose des contraintes (saisie des commandes au clavier, nécessité d'une formation aux principales commandes), mais présente de nombreux intérêts pédagogiques : l'élève doit établir une stratégie puis la mettre en oeuvre, le résultat obtenu n'est pas le fruit d'une manipulation hasardeuse de commandes sélectionnées dans un menu mais la conséquence d'une démarche.
Le module command line constitue un historique du travail , utilisable aussi bien par l'élève que pour le professeur.

L'écran élève est divisé en deux : la fenêtre de visualisation occupe les 2/3 de l'écran coté droit, le module command line les 2/3 de l'écran coté gauche. La bascule d'une fenètre à l'autre se fait par clic sur la fenêtre ou sur son bouton visible dans la barre de tâche.

Travail de l'élève : saisie des données d'observation et d'informations obtenues dans un compte rendu structuré faisant apparaître objectifs, hypothèses, résultats...

Documents complémentaires distribués en cours d'étude : relation entre le nom de l'acide aminé et son code à 1 et 3 lettres, classification des acides aminés en fonction des propriétés de son radical.

Apprentissages liés à l'utilisation de Rasmol : l'utilisation du module command line suppose de mener en cours d'investigation une formation aux principales commandes. La démarche assez guidée au début de l'étude devient de plus en plus libre pour permettre la construction de stratégies d'étude réfléchies...

Caractéristiques de la molécule étudiée

Molécule

  • Molecule name : Insulin
  • Classification : hormone
  • Brookhaven code : 4INS


Structure

  • 2 chaînes
  • 51 acides aminés
  • 418 atomes
  • 429 liaisons, 25 liaisons hydrogène
  • 5 hélices (3 bien visibles !

Ponts disulfures

  • A-Cys7 ----B-Cys7
  • A-Cys20----B-Cys19
  • B-Cys6----B-Cys11


Séquence

  • Chaîne A
    GLY1 ILE2 VAL3 GLU4 GLN5 CYS6 CYS7 THR8 SER9 ILE10 CYS11 SER12 LEU13 TYR14 GLN15 LEU16 GLU17 ASN18 TYR19 CYS20 ASN21
  • Chaîne B
    PHE1 VAL2 ASN3 GLN4 HIS5 LEU6 CYS7 GLY8 SER9 HIS10 LEU11 VAL12 GLU13 ALA14 LEU15 TYR16 LEU17 VAL18 CYS1 GLY20 GLU21 ARG22 GLY23 PHE24 PHE25 TYR26 THR27 PRO28 LYS29 ALA30

Source

Télécharger la molécule : Insuline.pdb (28ko)

 
Déroulement de l'activité

Ce déroulement présente la chronologie de l'investigation, les stratégies mises en place et les résultats attendus. Ne sont pas ici détaillés le questionnement pédagogique et l'articulation des "activités" ainsi nommées pour faciliter le découpage de la démarche.

Intentions professeur et activité élève
Résultats
Aspect de la molécule

 

Intentions
Aborder la molécule par sa forme : la séance est construite pour passer de ce constat à la formulation d'hypothèses explicatives relatives aux causes...

Activité 1
Formation
Les fenêtres de Rasmol, l'utilisation de la souris pour faire tourner (clic gauche) et translater (clic droit).
Visualisation
Faire tourner la molécule.
Choisir une vue et schématiser sur le compte rendu la forme selon le plan choisi à l'écran.
Travail de l'élève
Observer la molécule dans l'espace. Schématiser. Décrire


Quels sont les atomes qui constituent cette molécule ?

Intentions
Clarifier l'échelle d'observation : cellule, molécule, atome, préciser le vocabulaire : molécule, atome, élément, liaison ...

Activité 2
Formation
Saisir dans le module command line la commande
show information
Cette commande donne entre autre le nom de la molécule et le nombre d'atomes... qui situe à lui seul la difficulté présumée de la compréhension de son organisation !
Visualisation
Choisir dans le menu display la commande Ball&Stick.
Cliquer sur les atomes et lire la réponse dans command line.
Travail de l'élève
Faire un inventaire organisé des informations recueuillies.

L'insuline contient 418 atomes !
Cette macromolécule est constituée par 5 atomes différents :
- 4 sont visibles :

  • l'oxygène en rouge
  • le carbone en gris
  • l'azote en bleu
  • le soufre en jaune

- l'atome d'hydrogène bien que présent n'est pas montré.

Comment sont disposés ces atomes au sein d'une chaîne ?

Intentions
Montrer que cet ensemble d'atomes révèle une organisation en chaîne, que cette molécule est elle même constituée de molécules élémentaires ou acides aminés unis par liaison covalente.

Activité 3
Travail de l'élève
Saisir dans command line la commande show sequence
Saisir les 4 ou 5 premiers et derniers "modules" de chaque chaîne.
La saisie permet de fixer l'attention sur le contenu de l'information présentée ce qui conduit à s'interroger sur la signification de la numérotation et du code à trois lettres.

La molécule est constituée par 2 chaînes :

la chaîne A contient 21 "modules" numérotés de 1 à 21:
GLY1-ILE2-VAL3-GLU4-GLN5 ....ASN18-TYR19-CYS20 ASN21

la chaîne B contient 30 "modules" numérotés de 1 à 30 :
PHE- VAL2-ASN3-GLN4-HIS5...THR27-PRO28-LYS29-ALA30

Activité 4 A quoi correspond la numérotation ? le code lettre ?

Stratégie
Mettre la molécule en fil de fer et la colorier en blanc.
Sélectionner un "module" et le colorier en couleur, l'afficher en boules et bâtons.
Formation : commandes select et color
Saisir la commande :
Select all
color White

puis choisir la commande Wireframe dans le menu Display.
Saisir la commande :
select gly1
Color yellow

et choisir la commande Ball&Stick dans le menu Display.
La commande zoom sera donnée selon le besoin plutôt que le clic majuscule qui peut poser des problèmes avec des ordinateurs peu puissants si l'élève enchaîne les modifications...
zoom 200
Travail de l'élève
Définir le terme d'acide aminé.
Formuler des hypothèses sur la localisation de ILE2, VAL3
Saisie de commandes à mettre en oeuvre sur le modèle de commande précédent.
La distribution du document associant codage et nom d'acide aminé permet maintenant de nommer ces acides aminés par leur nom et non plus par leur code.

  • Chaque chaîne est formée par des acides aminés placés dans un ordre défini par un numéro.
  • Les acides aminés présentent des différences : cela concerne le nombre d'atomes et la forme de la molécule. Le code à trois lettres caractérise chaque acide aminé.

Activité 5 Comment sont liés les acides aminés ?

Stratégie
Colorier les atomes de chaque acide aminé avec une même couleur.
Cliquer sur les atomes impliqués dans une liaison et lire le résultat dans command line.
Formation
Différents modes de sélection, arguments de couleur. Apprentissage à la lecture du résultats fourni.
Stratégie d'investigation : travail coopératif
Chaque groupe étudie une portion de la molécule. Les résultats sont saisis dans le compte rendu.

Chaîne A :

  • groupe 1 : acides aminés de 1 à 4
  • groupe 2 : acides aminés de 4 à 8
  • groupe 3 : acides aminés de 8 à 12
  • groupe 4 : acides aminés de 12 à 16
  • groupe 5 : acides aminés de 16 à 20

Chaîne B :

  • groupe 6 : acides aminés de 1 à 4
  • groupe 7: acides aminés de 4 à 8
  • groupe 8 : acides aminés de 8 à 12
  • groupe 9 : acides aminés de 12 à 16
  • groupe 10 : acides aminés de 16 à 2

Travail de l'élève
Mettre en oeuvre une stratégie, saisir les informations collectées.

Bilan des résultats par groupe.
Le premier groupe à beaucoup à dire, les autres ne peuvent que confirmer la similarité des résultats pour la partie étudiée. Ce travail coopératif permet l'analyse d'une grande partie de la molécule pour établir la crédibilité de la généralisation du mode de liaison entre acide aminés.
Le terme de liaison peptidique n'est pas prononcé : le chimiste connaît des liaisons covalentes, des liaisons hydrogène...

Résultats du groupe 1


Fenêtre visualisation de la molécule


Module command line

Une liaison covalente entre un atome de carbone et un atome d'azote uni chaque acide aminé à l'acide aminé suivant.
Les acides aminés possèdent une organisation commune au niveau des atomes impliqués dans cette liaison.

Modèle explicatif :

Les liaisons entre acides aminés organisent une séquence d'acides aminés liés deux à deux . La molécule pourrait avoir une forme en chaine linéaire.

Comment sont associées les deux chaînes ?

Intentions
Cette recherche, indispensable pour comprendre la structure particulière de cette protéine, permet de montrer la spécificité de certains acides aminés, ici les ponts disulfures entre cystéines. Si dans le prochain chapitre, une mutation affecte une cystéine, une corrélation sera établie entre changement de cet acide- pont disulfure-forme...

Activité 5

Stratégie d'investigation
Colorier la molécule par chaîne et visualiser en fil de fer.
Observer la disposition des chaînes et identifier atomes et acides aminés impliqués dans les liaisons inter-chaînes.

Formation : sélection d'une chaîne, affichage des liaisons soufre.
select *A
ssbonds on
ssbonds 50

Travail de l'élève
Définir une stratégie à partir des connaissances accumulées depuis le début de la séance, puis la mettre en oeuvre.
Explorer la molécule à la recherche de liaisons...

Bilan
La mise en commun concerne aussi bien la stratégie que le résultat.
Mise en commun à l'aide d'un logiciel NetOp School ou Tim pour montrer sur tous les écrans de la salle l'écran de l'élève qui fait le bilan .

Les deux chaînes sont disposées l'une au dessus de l'autre et sont unies par des 2 liaisons.
Ces liaisons s'établissent entre des atomes de soufre appartenant à des acides aminés Cystéine :

A-Cys7 ----B-Cys7
A-Cys20----B-Cys19

Modèle explicatif :

La molécule peut être schématisée par deux chaines indépendantes reliées par deux liaisons. Cette organisation n'explique pas la forme réelle de l'insuline.

Comment expliquer la forme tridimentionnelle de l'insuline ?

Intentions
A la recherche des causes de la forme en 3D de lamolécule, point de départ de l'étude. Si les différentes causes abordées ici ne constituent pas un objectif de savoir, elles montrent la complexité des relations entre acides aminés et laisse entrevoir les conséquences possibles d'un changement dans la séquence...

Activité 6

Stratégie d'investigation
La forme d'une protéine est principalement liée aux propriétés des acides aminés ou de leur atomes :

  • les liaisons soufre qui s'établissent entre les acides aminés cystéine.
  • les liaisons hydrogène entre des atomes d'acides aminés différents.
  • la position des acides aminés selon leur affinité pour l'eau : hydrophobe ou hydrophile.

Eprouver ces différentes propriétés. Choisir le mode de représentation le plus adapté.

Formation
Afficher les liaisons hydrogène :
hbonds on
Sélectionner les acides aminés hydrophobes
select hydrophobic
Sélectionner les acide aminés hydrophiles
select not hydrophobic
ou
select polar
Remarque : ces deux dernières commandes ne sont pas tout à fait identiques, mais cela n'a pas d'importance pour cette étude !

Travail de l'élève
Définir une stratégie puis la mettre en oeuvre : mode de sélection et mode de visualisation.
Discuter l'hypothèse...

Bilan
La mise en commun concerne aussi bien la stratégie que le résultat.
Mise en commun à l'aide d'un logiciel NetOp School ou Tim pour mutualiser le travail réalisé par chaque groupe.

Hypothèse liaisons soufre entre cystéines
Il existe 3 ponts soufre dans la molécule d'insuline :

  • A-Cys7 ----B-Cys7
  • A-Cys20----B-Cys19
  • B-Cys6----B-Cys11

En reliant les chaînes par 2 ponts soufre et en repliant la chaîne B entre la cystéine 6 et la cystéine 11, les ponts disulfures interviennent dans cette forme globuleuse.

Hypothèse hydrophobe-hydrophile

Cette hypothèse ne semble pas décisive pour expliquer la forme globuleuse de l'insuline.

Hypothèse liaisons hydrogène

L'insuline apparaît formée par plusieurs hélices dont les spires sont reliées par des liaisons hydrogène.

La forme tridimensionnelle de l'insuline est due aux propriétés des acides aminés qui la constitue. Interviennent en particulier les liaisons soufre des acides aminés cystéine et les liaisons hydrogène.


Ce TP va au delà des besoins pour l'étude de la glycémie. Mais en associant une relation entre
séquence des acides aminés-propriétés des acides aminés- forme de la protéine
se prépare l'étude du codage de la séquence donc de la synthèse de la protéine, et les conséquences d'une modification de ce codage ...

 


Académie de Poitiers
Courrier électronique : jean-marc.coulais@ac-poitiers.fr
Dernière mise à jour : 02/02/02