Structural and functional characterization of two enzymes belonging to the aldehyde dehydrogenase family : the Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from B. stearothermophilus and the Erythrose-4-phosphate dehydrogenase from E. coli

Even if GAPDH is well characterized from a biochemical and structural point of view, the contribution of its two anion recognition sites to catalysis is still matter of debate. This work presents the crystallization, the strategy for the accumulation of the thioacylenzyme intermediate and for the obtaining of the enzyme-product complex, the resolution and analysis of the corresponding crystallographic structures and the implications in terms of reaction mechanism. The results mainly shed light on the existence of a flip-flop movement of the substrate between the two anion recognition sites during catalysis which is related to the cofactor exchange step. Although structurally related to GAPDHs, the E4PDH is an enzyme fairly less characterized. Many interrogations thus remain on the determinants of cofactor affinity, on the nature of the anion recognition site or on the mechanism of activation of the water molecule that is needed for an efficient hydrolysis step. This dissertation presents the resolution of three crystallographic structures of the E4PDH from E. coli, under the apoenzyme form, in the presence of phosphate or in complex with a cofactor analog. The analysis f these structures allows the characterization of the unique anion recognition site of this enzyme, to propose structural hypotheses to explain the low affinity of this enzyme for its cofactor and also to identify possible candidates for the activation of the nucleophilic water molecule.
Si la GAPDH est une enzyme bien caractérisée sur le plan biochimique et structural, la contribution de ses deux sites de reconnaissance anionique lors de la catalyse reste incomprise et nécessitait la détermination des structures de l'intermédiaire thioacylenzyme et du complexe enzyme-produit. Ce manuscrit présente la mise au point des conditions de cristallisation et d'accumulation de l'intermédiaire thioacylenzyme (suivi par microspectrophotométrie) et du complexe enzyme-produit, la résolution et l'analyse des structures cristallographiques correspondantes ainsi que les implications pour le mécanisme catalytique. Les résultats obtenus mettent notamment en évidence un mouvement de "va-et-vient" du substrat au cours de la catalyse entre les deux sites de reconnaissance anionique qui est lié à l'étape d'échange du cofacteur. Bien que structuralement proche des GAPDH, l'E4PDH est une enzyme pour laquelle peu de données sont disponibles. De nombreuses questions restent donc posées concernant notamment les déterminants de l'affinité pour le cofacteur, la nature du site de reconnaissance anionique, ou encore le mécanisme d'activation de la molécule d'eau nécessaire à une étape d'hydrolyse efficace. Sont présentées dans ce manuscrit trois structures cristallographiques de l'E4PDH d'E. coli, sous forme apoenzyme, en présence de phosphate ou en complexe avec un analogue de cofacteur. L'analyse de ces structures a notamment permis de caractériser l'unique site de reconnaissance anionique de l'enzyme, de proposer des hypothèses quant à la faible affinité de l'enzyme pour le cofacteur, et d'identifier un candidat possible pour l'activation de la molécule d'eau hydrolytique.