Il arrive que certains atomes dans un fichier PDB soient ‘désordonnés’ (disordered atoms) c’est à dire que leurs coordonnées se présentent sous la forme de deux conformations alternatives A et B. Le module altloc de buildez.pdb fournit des fonctions pour gérer ce type de cas, dans le cas d’acides aminés et de ligands. Les champs PDB altLoc et occupancy sont utilisés, pour les les lignes de coordonnées ATOM ou HETATM.

Publication initiale en 2021, révisé en Avril 2025.

1. Position du problème

La valeur du champ altLoc marque l’appartenance à un des deux conformères (A ou B) et la valeur du champ occupancy marque la proportion de chaque conformation qui est occupée dans le cristal. Si occupancy=1.0 l’atome est totalement dans la conformation donnée, si pour les atomes marqués A on a occupancy=0.5 et pour les atomes marqués B on a occupancy=0.5, cela veut dire que les deux conformations alternatives sont à égales proportions dans le cristal.

Prenons un exemple (celui de la documentation de la PDB) pour illustrer le propos, nous nous intéressons à une valine (VAL25) d’une protéine quelconque.

Si nous affichons cette VAL25 sous DSV, nous aurons un affichage du type suivant :

Nous constatons que la conformation B est affichée en bleu et que les proportions sont de 0.28 (pour A) et de 0.72 (pour B). Les coordonnées alternatives touchent les atomes de la chaine latérale du résidu. Par contre, les atomes (N, CA, C, O) du backbone (ou impliqués dans la liaison peptidique) n’ont qu’une seule conformation.

En cas de calculs, l’utilisateur risque de devoir choisir une conformation unique, certains logiciels sont tolérants (en fait ils choisissent pour nous, la première conformation) ou pas. Les processus impactés touchent souvent la minimisation et dynamique moléculaires (qui prennent la protéine dans son ensemble) et dans une moindre mesure l’arrimage moléculaire.

2. Librairies de rotamères

Pour le choix de la conformation, nous pouvons prendre une des deux possibilités, A ou B. Mais il est possible d’avoir une approche plus large, par exemple une combinaison d’angles qui soit différente. C’est le cas si nous avons une chaine latérale incomplète ou si nous réalisons une mutation qui conduit au remplacement du résidu par un autre acide aminé. Dans ces cas nous souhaitons partir d’une conformation hypothétique mais plausible, et nous allons utiliser une librairie de rotamères.
Ce type de bibliothèque va présenter différentes conformation et orientations de la chaine latérale pour un type d’acide aminé donné. A partir de différentes méthodes d’élaboration, chaque conformation (rotamère) est associée à une probabilité d’occurrence.

Le tableau suivant donne un aperçu de ces probabilités pour le résidu VAL à partir des fonctionnalités de deux logiciels, Discovery Studio et UCSF Chimera:

Library	Rotamer	Probability %	Chi1
Original (structure)	A	–	160.38
	B	–	-63.70
Ponder and Richards (DSV)	#1	67.10	173.50
	#2	26.20	-63.40
	#3	5.40	69.30
Sutcliffe (DSV)	#1	–	172.00
Lovell, Word and Richardson (DSV)	#1	73.00	175
	#2	20.00	-60
	#3	6.00	63
Oldfield (DSV)	#1	71.78	173.70
	#2	22.28	-81.10
	#3	5.94	-72.50
Dunbrack (UCSF Chimera)	#1	73.90	175.9
	#2	18.70	-61.7
	#3	7.40	65.5
Lovell, Word and Richardson (common-atom) (UCSF Chimera)	#1	73.53	175
	#2	20.00	-60
	#3	6.43	63
Lovell, Word and Richardson (mode) (UCSF Chimera)	#1	73.53	175
	#2	20.00	-64
	#3	6.43	63

Ces deux logiciels permettent de modifier interactivement les résidus, ce qui permet à son tour de vérifier s’il n’y a pas de contacts défavorables avec d’autres résidus lorsque on sélectionnera un rotamère donné. C’est l’angle de torsion χ1 (CG1:CB:CA:N) qui est utilisé (rotamère A) et qui définit les différentes conformations (ici la chaine latérale est courte et un seul angle suffit), ce qui n’est pas le cas avec d’autres résidus, par exemple une ARG.

Arginine: nomenclature des angles de torsion	Une partie des rotamères possibles (UCSF Chimera – Dunbrack library)

Nous comprenons donc que le nombre de rotamères possible va dépendre de chaque acide aminé, avec 4 angles de torsion, nous constatons que l’arginine peut occupe un espace (potentiel) important.

L’exemple est destiné à faciliter la compréhension du problème, avec une valine nous n’aurons que 3 possibilités, dont deux se recoupent quasiment au final (liaison C-C soulignée en vert). Nous constatons aussi, par rapport à la première figure (VAL25) que les conformations dans le cristal sont similaires à ces propositions, soit 3 positions possibles pour les liaisons C-C qui s’équilibrent par paliers de 120 degrés (globalement) au niveau de l’angle dièdre χ1.

Le tableau nous montre ce que nous pouvons trouver dans différentes bibliothèques, nous constatons qu’il y a toujours un angle à forte probabilité (75%) autour de 175 degrés et un à faible probabilité (20-25 %) qui oscille autour de -60 à -65 degrés. Si nous comparons avec le cristal, nous constatons que les données sont en accord, puisque nous avons une valeur de 160 pour la localisation A et de -63 pour la B. Sur cette base, nous pourrions choisir la conformation A plutôt que la B, sachant qu’il est également possible de faire des calculs en suivant (minimisation partielle, minimisation de la protéine …) et d’utiliser une méthode de docking flexible. Tout va dépendre des possibilités des logiciels utilisés et de l’impact de VAL25 dans la protéine (loin ou dans la zone du site de liaison).

Une fois que le décor est planté, nous allons voir comment le module pdb.altloc permet de gérer ce type de résidu, de manière robuste et totalement automatisée au travers de quelques fonctions qui travaillent au niveau d’une pdbm ou d’une resmap indépendamment de l’organisation en chaines polypeptidiques (ou des numéros de résidus) de la structure.