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Première publication : 05/10/2011 - Dernière mise à jour : 10/06/2012
Contribution réalisée par : Paul PILLOT

GFP (Green Fluorescent Protein), la protéine fluorescente verte

Références

Auteurs : Yang F., Moss L.G., Phillips Jr. G.N.
Publication :
"The molecular structure of green fluorescent protein." in Nat.Biotechnol. 1996 nº14 pages 1246-1251 PubMed

Source : PDB Identifiant : 1GFL
Modification :Les molécules d'eau ont été supprimées du modèle ainsi que le deuxième exemplaire de la protéine visible en cristallographie.

Classification

Organisme d'origine : Aequorea victoria
Catégorie :
organique > protide > protéine > bioluminescence > GFP (Green Fluorescent Protein), la protéine fluorescente verte

Description

L'étude de la luminescence bleue de la méduse Aequorea victoria par O. Shimura a permi de montrer qu'elle était due à une protéine, l'aéquorine qui en présence de calcium émet une lumière bleue (pic d'émission λ = 470nm).
Cependant, la collecte de grandes quantités d'extraits de ces méduses a permit de découvrir l'existence d'une deuxième émission de lumière, plus faible en intensité et dont le pic d'émission est dans le vert (λ = 508 nm).
Cette émission de lumière est une fluorescence : elle nécessite une excitation par une autre source lumineuse. Deux pics d'excitations caractéristiques ont été identifiés : λ = 395nm (lumière UV) et λ = 475 nm (lumière bleue). Ce deuxième pic correspond à la situation retrouvée in vivo où la fluorescence est déclenchée par une excitation due à la lumière bleue émise par l'aéquorine. (Remarque : dans la nature la lumière émise par ce méduses est essentiellement due à l'aéquorine et apparaît donc bleu. Les photographies faisant apparaître les meduses en vert sont des retouches).

La fluorescence verte est due à une protéine, la GFP, qui chez la méduse s'associe sous la forme de dimères ou de multimères à l'aéquorine. Elle ne nécessite pas l'ajout d'autres composés dans le milieu de réaction pour se produire (ni ATP, ni groupements hétéroatomiques associés). Cette protéine est de relativement petite taille et a pu être exprimée dans différents organismes. Toutes ces propriétés en ont fait un outil de choix pour l'étude de l'expression de gènes, le marquage cellulaire ou moléculaire, etc...

La GFP est une protéine formée d'une seule chaîne de 238 acides aminés. La structure de la GFP montre la présence de feuillets disposés sous la forme d'un tonneau (tonneau β, "β barrel").

Structure de la GFPFigure 1 : Structure secondaire de la GFP. En jaune les feuillets β, en magenta les hélices α. La structure cylindrique en tonneau est reconnaissable

Structure de la GFP - vue polaireFigure 2 : Structure de la GFP en vue "polaire". On peut remarquer la présence d'une hélice traversant le "tonneau"

Le centre de ce tonneau est traversé par une hélice sur laquelle se trouve la structure chimique responsable de la fluorescence : le chromophore.

 Structure de la GFP, montrant la position du chromophoreFigure 3 : Position du chromophore dans la structure de la GFP. Les 3 acides aminés du chromophore sont affichés en sphère et colorés par type d'acides aminés.

Le chromophore est produit suite à une série de réactions entre 3 acides aminés de la séquence : Ser 65, Tyr 66, Gly 67. La sérine forme une liaison covalente avec la glycine, aboutissant à un cycle supplémentaire (imidazole). La structure subit ensuite une réaction de déshydratation puis d'oxydation en présence d'oxygène (ne peut se produire dans des conditions anaérobies) pour former le chromophore.

structure chimique du chromophore
Figure 4 : Les acides aminés composant le chromophore. Coloration par acides aminés.

 

Le mécanisme d'absorption et d'émission de lumière par le chromophore est complexe. Il fait intervenir les autres acides aminés et les molécules d'eau situés à proximité.

Contacts sur le chromophoreFigure 5 : contacts entre les atomes du chromophore et les molécules d'eau (en rouge) et les autres acides aminés de la GFP (en jaune). Les molécules d'eau établissent un réseau de liaisons hydrogènes stabilisant le chromophore

Il impliquerait des cycles de modifications de la charge de la Tyr66 par perte puis gain d'un proton au niveau du phénol, sous l'action des photons absorbés et émis par le chromophore.

 

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