Domaines protéiques
Domaines protéiques liés au calcium (Ca²⁺)
Main EF ou EF-hand

Structure des mains EF

Main canonique

Une main EF " canonique " (29 résidus) est formée de deux hélices α liées à une boucle formée de 12 acides aminés.

1. Ce domaine protéique, formant une poche pentagonale bipyramidale, a une forme de main, d'où son nom, dans laquelle, métaphoriquement :

• l'ion Ca²⁺ se situerait dans la paume,
• les deux hélices formeraient le pouce et l'index relevés.

2. Six des douze acides aminés impliqués dans la coordination avec l'ion calcium sont situés sur la boucle 1, 3, 5, 7, 9 et 12 (aussi nommés X, Y, Z, -Y, -X et -Z), dont les plus importants sont les 1, 3, 5, 12.

a. Cinq résidus de la boucle, dont les chaînes latérales contiennent de l'oxygène (carboxylates, COOH, ou carbonyles, C=O).

• Ils lient le calcium, en particulier l'aspartate et le glutamate en position 12 qui sont prépondérants (ligand bidentate ou bidenté, ellipse jaune sur la figure ci-contre).
• Ces résidus chargés négativement interagissent avec le Ca²⁺ chargé positivement.

La denticité (du latin dentis, dent, le ligand étant vu comme " mordant " l'atome central) est le nombre d'atomes d'un ligand (ou coordinat) pouvant se lier à un atome central, en général un métal, dans un complexe (Wikipedia).

b. Le sixième résidu dans la boucle est nécessairement la glycine pour la conformation de l'ensemble.

c. Les résidus restants forment un noyau hydrophobe qui lie et stabilise les deux hélices α (Prediction of EF-Hand Calcium-Binding Proteins and Analysis of Bacterial EF-Hand Proteins 2004).

3. Certaines mutations sur les mains EF de la calmoduline, en particulier le remplacement de l'acide aspartique (D) par l'alanine en position 1, inhibent la liaison au calcium (Intra- and Interdomain Effects Due to Mutation of Calcium-binding Sites in Calmodulin 2010).

Pseudo-main

Une pseudo boucle EF-hand, à 14 résidus, retrouvée dans l'extrémité N-terminale des protéines S100 et S100-like, chélate l'ion Ca²⁺ principalement via les carbonyles du squelette (positions 1, 4, 6, 9).

Toutes les protéines S100 présentent les mêmes caractéristiques structurelles.

• La main EF C-terminale contient le motif canonique (12 résidus).
• La main EF N-terminale présente une architecture légèrement différente de 14 résidus (Natural and amyloid self-assembly of S100 proteins: structural basis of functional diversity 2010)

Les protéines S100 ont de nombreuses fonctions (Functions of S100 Proteins 2013).

Mains vestigiales

On trouve des mains vestigiales, i.e. qui ne possèdent pas les résidus acides essentiels pour la liaison au Ca²⁺, au niveau de (Conservation of Ca2+/Calmodulin Regulation across Na and Ca2+ channels 2014) :

• de l'extrémité C-terminale des Ca_v, dans les domaines preIQ ou PCI (proximal Ca²⁺-inactivation),
• de l'extrémité C-terminale des Na_v (Solution Structure of the NaV1.2 C-terminal EF-hand Domain 2009).

Elles permettent la liaison à la calmoduline (CaM) pour leur inactivation (CDI).

Nombre et organisation des mains EF

Le nombre de mains EF varie selon les protéines.

Elles sont fréquemment organisées par paires, dont les deux motifs peuvent coopérer dans la liaison du Ca²⁺ et dans les changements conformationnels qui en résultent.

1. La calmoduline possède quatre mains EF fonctionnelles organisées en deux paires, réparties entre ses domaines N- et C-terminaux.

2. Les α-actinines possèdent quatre mains EF organisées en deux paires, EF12 et EF34, au sein de leur domaine C-terminal de type calmoduline (CaM-like).

• Leur regroupement forme un domaine C-terminal de type calmoduline (CaM-like), ainsi nommé en raison de son organisation structurale apparentée à celle de la calmoduline.
• Leur capacité à lier le Ca²⁺ varie cependant selon les isoformes.

3. D'autres protéines à mains EF peuvent comporter un nombre différent de motifs, dont certains sont canoniques, non fonctionnels ou vestigiaux :

• les protéines S100 ont deux mains EF,
• la parvalbumine, trois mains,
• la troponine C, quatre mains,
• les calpaïnes classiques, cinq mains.

Fonctions des mains EF

1. Lors de la liaison au Ca²⁺, la main EF change de conformation pour induire des processus dans de nombreux effecteurs, pas moins de 66 sous-familles de protéines, telles que :

• 

  la calmoduline (CaM),
• la troponine C (TnC),
• de nombreuses protéines du cytosquelette comme l'α-actinine, ou des protéines de réticulation comme la spectrine, les plastines (fimbrines)…
• les tampons Ca²⁺ comme la calréticuline et la calbindine D9k.

2. Généralement, les mains EF vont par deux et forment un domaine globulaire coordonnant l'action de 2 ions Ca²⁺, comme dans la plupart des CaBP ou Calcium-binding proteins, essentiels au système neuronal (Evolution and functional diversity of the Calcium Binding Proteins (CaBPs) 2012).

Toutefois, certains CaBP des bactéries et des eucaryotes n'en possèdent qu'une.

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