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PARIS XII CRETEIL – TORCY – SENART
1er semestre 2020-2021 – Patrick Razon
METABOLISME ET REGULATION
FICHE DE COURS 1 : ACIDES AMINES - PROTEINES
CPCM – 106 Bd Saint Germain 75006 PARIS – Tel : 01.46.34.52.25 [email protected] / www.prepa-cpcm.com
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ACIDES AMINES - PROTEINES
Table des matières
1. Rôle des protéines : définitions p.3
2. Classification des protéines p.3
2.1.Créer et maintenir une structure p.4
2.2.Bouger, se déplacer p .4
2.3.Transformer p.5
2.4.Transporter p.5
2.5.Informer, signaler p.5
2.6.Reconnaitre se défendre p.7
3. Les acides -aminés p.7
3.1.Origine des acides aminés p.7
3.2.Propriétés acido-basiques p.8
3.3.La classification des acides aminés p.9
3.3.1. R apolaire aliphatique p.9
3.3.2. 3 acides aminés à reste R aromatique p.10
3.3.3. Acides aminés à reste R polaire neutre p.10
3.3.4. Acides aminés à reste R polaire chargé p.11
4. Liaison peptidique et peptides p.12
4.1.Caractéristiques de la liaison peptidique p.13
4.2.Angles , , p.13
5. Structure des protéines p.14
5.1.Structure primaire des protéines p.14
5.2.Structure secondaire des protéines p.14
5.2.1. Les hélices p.15
5.2.2. Les feuillets bêta p.16
5.2.3. Les coudes et les boucles p.16
5.2.4. Les structures super-secondaires p.16
5.2.5. Structure secondaire et pathologies : le prion p.17
5.3. Structure tertiaire des protéines p.17
5.4.Structure quaternaire des protéines p.18
5.4.1. Exemples du collagène et de l’élastine p.18
5.4.2. Myoglobine et hémoglobine p.19
5.4.3. Deux modèles allostériques p.22
5.4.4. Hémoglobine : modèle pour étude de pathologie moléculaire p.22
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ACIDES AMINES - PROTEINES
1- Rôles des protéines
Le terme protéine vient du grec « proteion » Qui signifie « occuper le premier rang ».
En effet, les protéines jouent un rôle fondamental dans l’organisme puisqu’elles sont impliquées dans presque
tous les processus biologiques.
La structure de ces protéines est particulièrement bien adaptée à leur fonction et il va donc exister une relation
étroite entre la forme et la fonction de la protéine.
2. Classification des protéines
Classification des protéines : 5 types de classification
Par type de structure Par famille et
superfamilles
Par localisation
tissulaire
Par localisation
cellulaire Par fonction
Protéines
globulaires
Protéines
fibreuses
Superfamille des
immunoglobulines
Famille des
homéoprotéines
Famille des
tyrosines kinases
Sérum, enzymes
digestives, protéines
musculaires
Membranaire,
cytosolique,
mitochondriale,
nucléaire…
Voir Tableau suivant
Classification des protéines par fonction : 6 fonctions
Créer et
maintenir une
structure
Bouger, se déplacer
(transformation de
l’énergie chimique
en énergie
mécanique)
Transformer Transporter Informer
signaler
Reconnaitre et se
défendre
Cytosquelette
(Microtubules,
microfilaments
filaments
intermédiaires)
Protéines motrices
(Myosine) Les enzymes
catalysent
l’essentiel
des réactions
chimiques du
vivant
Transporteurs
transmembranaires
(Transporteurs
ABC, CFTR
(mucoviscidose))
Récepteurs et
ligands Chaperonnes
Tissus de
soutien
(collagène)
Protéines à
mouvement
intracellulaires
(Kinésines,
dynéines)
Transporteurs de
petites molécules
dont O2
(Myoglobine,
hémoglobine,
transferrine)
Interrupteurs
moléculaires Immunoglobulines
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2.1. Créer et maintenir une structure
Les protéines de soutient ont une structure semblable leur permettant d’assurer leur fonction.
Ce sont des protéines : Fibreuses
Mécaniquement solides
Généralement insolubles
Que ce soit les protéines du cytosquelette ou les protéines de maintien du tissu conjonctif (tendon, cartilage, os…) elles ont une forme de corde qui leur permet d’être souple et de s’étirer si besoin.
Le collagène ou tropocollagène est un élément essentiel présent dans le tissu conjonctif et permettant, de par sa structure en triple hélice, de maintenir les organes et les tissus.
On retrouve des protéines ayant les mêmes fonctions mais au niveau cellulaire qui donnent sa forme à la cellule.
Les cytokératines jouent le même rôle que le collagène, mais cette fois, à l’intérieur de la cellule.
D’autres éléments qui traversent la cellule de part en part ont une structure fibreuse : les
microfilaments (actine) et les microtubules (tubuline).
2.2. Bouger, se déplacer
Certaines protéines ont également pour fonction de se déplacer, notamment à l’échelle de l’individu.
Par exemple les protéines intervenant dans la contraction musculaire comme la myosine qui va permettre
de raccourcir le filament d'actine lors de la contraction.
Transformation d’énergie chimique (ATP) en énergie mécanique
Le complexe actine-myosine qui assure la contraction musculaire est un système complexe composé de plusieurs protéines :
Actine : filaments fins
Myosine : filaments épais
Troponine : cette protéine très spécifique du cœur est relâchée dans la circulation par les cellules
mourantes. Ainsi, elle est mesurée dans le sang des malades chez qui on soupçonne un infarctus
du myocarde. La troponine est donc un excellent marqueur cardiaque.
Les molécules doivent pouvoir se déplacer de part et d'autre de l'organisme mais aussi de part et d’autre des
cellules → Il existe un réseau de protéines qui permettent ce transport.
Dans les neurones (cellules les plus longues de l'organisme) le transport est assuré par des protéines qui se déplacent le long des microtubules. Ces protéines (dynéines, kinésines) possèdent des structures
particulières avec un site de fixation pour le microtubule et un pour l'élément à transporter.
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2.3. Transformer
Les différentes classes d’enzymes : 6 classes Oxydoréductases Transfert d’électrons
Transférases Transfert de groupes chimiques
Hydrolases Réactions d’hydrolyse (avec H2O)
Lyases Addition d’un groupe sur double liaison ou création de double liaison par perte de groupes
Isomérases Transfert de groupe à l’intérieur d’une molécule pour former un isomère
Ligases Formation de liaisons C-C, C-S, C-O, ou C-N par condensation. Nécessite ATP (énergie)
2.4. Transporter
Des protéines sont chargées de véhiculer un certain nombre de substances d’un point à un
autre de l’organisme : c’est le cas de l’hémoglobine, de la transferrine et de la myoglobine.
Hémoglobine Myoglobine
Rôle Transport sanguin de l’oxygène, des
alvéoles jusqu’aux tissus Stockage de l’oxygène
Localisation Sang Muscle
Structure 4 sous-unités = tétramère ()2 1 Monomère
La transferrine, protéine de structure globulaire, transporte le fer dans la circulation et va se fixer sur des récepteurs, pour faire rentrer le fer dans la cellule.
Il existe aussi au niveau cellulaire des transporteurs, qui permettent le transport (actif, passif, ou par diffusion). La plupart de ces protéines possèdent des structures particulières.
Exemple : le canal chlore fonctionne avec de l’ATP qui permet de boucher ou non le canal, en rapprochant le
domaine R. Dans le cas d’une mutation (mucoviscidose) sur le site de fixation à l’ATP, le canal chlore ne
fonctionne plus.
2.5. Informer, signaler
Les cellules émettrices de signaux peuvent se trouver proches ou éloignées des cellules réceptrices de ces signaux. Le signal (ligand) devra pénétrer à l’intérieur de la cellule qu’il doit informer.
Ce signal va être repéré à la surface de la cellule par une protéine réceptrice, le récepteur, et ce quelle que soit
la nature du ligand. Cette signalisation peut se faire :
Via des hormones synthétisées à un endroit du corps, allant se fixer sur des récepteurs présents dans
tout le corps
De façon locorégionale : une cellule envoie un signal à celles qui lui sont proches
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Les différents types de récepteur : 4 types La famille de récepteurs représente une très importante classe de protéines puisque à chaque ligand est associé
un récepteur spécifique.
Ces récepteurs membranaires doivent pouvoir faire le lien entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule.
Les récepteurs sont tous, sans exception, des protéines.
Bien que les cellules répondent à des milliers de ligands différents, tous les stimuli connus agissent par l’intermédiaire d’une vingtaine de familles de récepteurs, chacune couplée à des mécanismes différents de
transduction du signal.
Entre le récepteur et le noyau de la cellule qui va donner les ordres en aval, on a besoin de protéines spécifiques qui vont transduire le signal (le propager à l’intérieur de la cellule).
Ces protéines ont clairement un rôle d’interrupteur moléculaire puisqu’elles peuvent soit laisser soit empêcher
le signal de poursuivre sa route.
Canal ionique couplé Récepteur enzyme
Récepteurs à 7
passages
transmembranaires
Récepteur nucléaire de
type « stéroïde »
S’ouvre ou se ferme en fonction
de la présence d’un ligand
L’activité enzymatique
intracellulaire est stimulée
quand le ligand se lie
Liaison du ligand
entraîne l’activation
d’un second messager
La liaison du ligand
entraîne la régulation de
l’expression d’un gène
Cas particulier des récepteurs à 7 passages transmembranaires Le site d’interaction du ligand sur le récepteur dépend beaucoup de la taille et de nature du ligand
Photons – catécholamines –
Autres petits ligands
Acides aminés – Peptides –
Chimokines – Prostaglandines –
Nucléotides – Nucléosides
Hormones glycoprotéiques (TSH, LH,
FSH, Interleukines, chimiokines)
Interaction au niveau des
passages transmembranaires
Interaction au niveau des boucles
extracellulaires
Interaction avec le domaine N-
terminale extracellulaire
Les récepteurs à 7 passages transmembranaires sont tous couplés à des protéines G
Les protéines G sont des protéines hétérotrimériques ancrées dans le feuillet interne de la membrane
plasmique. Elles sont :
Actives quand elles sont liées au GTP
Inactives quand elles sont liées au GDP
L’interaction récepteur / ligand entraîne l’échange GTP contre GDP sur la sous-unité alpha de la protéine
G
La sous-unité alpha liée au GTP se détache de et va activer une protéine effectrice de la membrane
plasmique. Cette protéine effectrice peut être (par exemple) :
L’adénylate cyclase (AC)
La phospholipase C (PLC)
Un canal ionique
La protéine effectrice produit un second messager intracellulaire
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2.6. Reconnaitre et se défendre
Une des grandes fonctions des protéines est :
De protéger le corps du milieu extérieur.
La reconnaissance du « soi » et du « non-soi »
Parmi ces protéines, les anticorps (= immunoglobulines) sont parmi les plus importantes. Les immunoglobulines sont constituées de deux chaînes lourdes et de deux chaînes légères
Les chaînes lourdes sont liées entre elles par ponts disulfures
Les chaînes légères sont liées aux chaînes lourdes par ponts disulfure
Les immunoglobulines peuvent être dimériques à pentamériques
Les anticorps reconnaissent l’antigène par les extrémités N-terminales (variables) des chaînes
lourdes et des chaînes légères.
Plus le répertoire d’anticorps est étendu, plus on est protégé, d’où l’importance du brassage des espèces.
3. Les acides -aminés
3.1. Origine des acides aminés
Apportés par l’alimentation
Parfois synthétisés par la cellule
Les acides aminés qui doivent être obligatoirement apportés par l’alimentation = acides aminés indispensables (= essentiels) : Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Thr, Lys
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3.2. Les propriétés acido-basiques des acides aminés
Les acides aminés sont des amphotères = ils possèdent à la fois une fonction acide COOH et une fonction basique
NH2
L’état d’ionisation des acides aminés dépend du pH environnant
Le pHi d’un acide aminé est le pH pour lequel la concentration en forme zwitterion (globalement neutre)
est maximum ou bien pH pour lequel la charge globale est nulle
On admettra que pour pH > pHi, les acides aminés, peptides, protéines sont globalement chargés
négativement (Pour pH < pHi, les acides aminés, peptides, protéines sont globalement chargés positivement
Le calcul du pHi d’un acide aminé se fait en fonction des pK de chaque fonction ionisable présente sur l’acide aminé. La chaîne latérale peut participer si elle possède une fonction ionisable
pHi des acides aminés
apolaires ≈ ½(2 + 10) = 6
pHi des acides aminés polaires
neutres ≈ ½(2 + 10) = 6
pHi des acides aminés
polaires ionisables
acides≈ ½(2 + 4) = 6
pHi des acides aminés
polaires ionisables
basiques
Gly, Ala, Val, Leu, Ile,
Pro, Met, Phe, Trp
Chargés négativement à
pH = 7,4
Ser, Thr, Tyr, Gln, Asn, Cys
Chargés négativement à pH =
7,4
Asp, Glu
Chargés négativement
à pH = 7,4
His : ½ (6 + 10) = 8
Lys : ½ (10 + 10,8) = 10,5
Arg : ½(10 + 12,5) =
11,5
Chargés positivement
à pH = 7,4
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3.3. La classification des acides aminés
Elle se fait selon la nature physico-chimique du reste (radical) R.
On considère qu’il existe trois classes d’acides aminés : Apolaires
Chaîne latérale aliphatique
Chaîne latérale aromatique
Polaires neutres
Polaires ionisables
Chaîne latérale à fonction acide
Chaîne latérale à fonction basique
Attention : Dans votre classification, polaire = hydrophile et apolaire = hydrophobe
3.3.1. Les acides -aminés à reste R apolaire aliphatique
Acide aminé Code à 3 et à
une lettres Structure Remarque
Glycine Gly
(G)
Le seul acide aminé sans atome de carbone
asymétrique
Alanine Ala
(A)
Valine Val
(V)
Leucine Leu
(L)
Isoleucine Ile
(I)
Présence de deux atomes de carbone asymétriques
Méthionine Met
(M)
Acide aminé soufré – Puissant donneur de groupe
méthyle (CH3) grâce à sa chaîne latérale
Proline Pro
(P)
Chaîne latérale particulière à noyau pyrrolidine
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3.3.2. Les 3 acides -aminés à reste R aromatique
Phénylalanine Phe
(F)
Absorbent dans l’U.V vers 280nm
Propriété mise à profit pour le dosage des protéines par
spectrophotométrie U.V
Attention : Phe et Trp sont apolaires
Attention : la tyrosine est un acide aminé polaire par sa
fonction alcool (phénol) OH.
La fonction phénol de la tyrosine est phosphorylable
Tyrosine Tyr
(Y)
Tryptophane Trp
(W)
3.3.3. Les acides -aminés à reste R polaire non chargé (6 acides aminés)
3.3.3.1. Les 3 acides aminés à fonction alcool
Acide aminé Code à 3 lettres Structure à connaitre Remarque
Sérine Ser
(S)
Fonction alcool phosphorylable.
La phosphorylation mène souvent à l’activation de la protéine
La fonction alcool de la tyrosine est particulière = fonction phénol
La thréonine possède deux atomes de carbone asymétriques
Thréonine Thr
(T)
Tyrosine Tyr
(Y)
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3.3.3.2. Autres acides -aminés polaires neutres
Asparagine Asn
(N)
Acide aminé à fonction amide
Structure proche de celle de l’acide aspartique
Glutamine Gln
(Q)
Acide aminé à fonction amide
Structure proche de celle de l’acide glutamique
Cystéine Cys
(C)
Acide aminé à fonction thiol (SH)
Le seul acide aminé permettant la formation des ponts
disulfures dans les protéines.
Les ponts disulfures sont fondamentaux dans le processus
de repliement des protéines
La combinaison de deux molécules de cystéine (oxydation)
par pont disulfure donne la cystine
3.3.4. Les acides -aminés à reste R polaire chargé (5 acides aminés)
3.3.4.1. Les acides -aminés à chaine latérale acide
Acide aminé Code à 3 lettres Structure Remarque
Acide aspartique Asp
pKR = 3,9
Acide glutamique Glu
pKR = 4,2
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3.3.4.2. Les acides -aminés à chaine latérale basique
Acide aminé Code à 3 lettres Structure Remarque
Lysine Lys
(K)
Chargés positivement au pH physiologique
pHi > 7,4
Arginine Arg
(R)
Histidine His
(H)
Acide aminé à radical basique (noyau
imidazole)
pKR = 6
pHi > 7,4 (pHi = 8)
Considéré comme neutre au pH
physiologique
4. Liaison peptidiques et peptides
Dans un peptide ou dans une protéine, la liaison peptidique s’établit par condensation entre le -COOH d’un acide
aminé et le -NH2 de l’acide aminé suivant, avec élimination d’une molécule d’eau (voir schéma ci-dessous : dipeptides Ala – Gly et Ala – Pro).
Le premier acide aminé correspond à l’extrémité N-terminale (NH2 terminal libre à gauche)
Le dernier acide aminé correspond à l’extrémité C-terminale (COOH terminal libre à droite)
On parle d’oligopeptide entre 2 et 10 acides aminés
On parle de polypeptide pour un poids moléculaire < 10kDa
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4.1. Caractéristiques de la liaison peptidique
Liaison forte (covalente) – Liaison amide particulière
Dimension quasiment fixe
Hybride de résonance entre deux formes extrêmes : les électrons circulent librement entre l’azote et l’oxygène
Liaison plane, rigide et polaire = rend les protéines très résistantes à l’hydrolyse (beaucoup d’énergie nécessaire pour rompre une liaison peptidique)
Configuration trans privilégiée car plus stable (les deux atomes de carbone alpha sont de part et d’autre du plan de la double liaison)
4.2. Angles , et
Les propriétés physico-chimiques de la liaison peptidique impliquent des arrangements spatiaux particuliers
pour la chaîne polypeptidique.
En effet, le caractère partiel de double liaison empêche la libre rotation autour de la liaison peptidique C-N. On
peut donc définir la position relative des restes R de deux acides aminés consécutifs par les angles de torsion ,
tels que :
Définit le caractère cis (0°) ou trans (180°) de la liaison peptidique C – N
Définit la rotation autour de la liaison C – C
Définit la rotation autour de la liaison N – C2.
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5. Structure des protéines
5.1. Structure primaire des protéines
Structure de base des protéines
Enchaînement des acides aminés de N-ter vers C-ter par liaisons peptidique
Génétiquement déterminée
Conditionne les autres niveaux de repliement de la protéine donc oriente la conformation spatiale de
la protéine et influe directement sur la fonction de la protéine : une structure primaire conduit à une
structure 3D donnée.
5.2. Structure secondaire des protéines
Les structures secondaires apparaissent en relation avec les libertés de rotation que peuvent prendre les deux autres angles Φ et Ψ.
Le nombre de structures secondaires possibles est très limité (Graphique de Ramachandran).
Les principales structures secondaires sont :
Les hélices alpha
Les feuillets bêta
Les coudes et les boucles
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5.2.1. Les hélices
Les Hélices
L’hélice : structure secondaire la plus fréquente dans les protéines Hélice droite
Pas = 5,4Å, 3,6 acides aminés / tour
(, ) = (-47°, -57°) = les deux angles sont négatifs = quart inférieur gauche du diagramme
Ramachandran
13 atomes forment une boucle fermée par une liaison hydrogène
Stabilisation : liaisons hydrogène intra-chaîne entre le O d’un CO de l’acide aminé n°N et le H d’un NH
de l’acide aminé n°N+4 :
C=O vers le haut
NH vers le bas
Dans l’hélice alpha, les résidus s’orientent de façon à placer les corps hydrophobes à l’intérieur de la molécule et les corps hydrophiles à l’extérieur pour faciliter les interactions avec l’eau environnante
Glycine et proline sont des acides aminés rares dans l’hélice alpha
Alanine = acide aminé fréquent dans l’hélice alpha
Protéines d’intérêt avec hélices alpha
Hémoglobine et myoglobine Protéines de liaison de l’ADN : facteurs de
transcription
Hémoglobine : transport d’O2, 70% d’hélices
Myoglobine : stockage O2, 70% d’hélices Une hélice alpha se cale dans le grand sillon de
l’ADN pour lier la protéine à l’ADN
Protéines transmembranaires Canaux ioniques
Des hélices alpha hydrophobes (composées d’acides
aminés hydrophobes) forment fréquemment les
passages transmembranaires des protéines
Des hélices alpha amphiphiles = une face hydrophobe
et une face hydrophile forment fréquemment les pores
aqueux des canaux ioniques :
Face hydrophobe = contact avec la membrane
Face hydrophile = pore aqueux
L’hélice 310: 1 tour = 3 acides aminés = 2Å, (, ) = (-26°, -49°)
L’hélice : 1 tour = 4,4 acides aminés = 5,6Å, (, ) = (-70°, -57°)
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5.2.2. Les feuillets bêta
Les feuillets plissés Existence de feuillets plissés parallèles (, ) = (+113, -119)
Ou antiparallèles (, ) = (+135, -139) plus stables
Quart supérieur gauche du diagramme de Ramachandran
Corps hydrophobe à l’intérieur et résidus hydrophiles vers l’extérieur, comme dans l’hélice alpha
Stabilisation : liaisons hydrogènes inter-chaînes (inter-brins ) entre le O du CO d’un acide aminé d’un brin et le H du NH de l’acide aminé opposé dans le brin antiparallèle
Les feuillets bêta antiparallèles sont plus stables que les feuillets bêta parallèles car les résidus qui font les liaisons hydrogène se trouvent face à face. Ils sont plus éloignés dans les feuillets bêta parallèles
Les immunoglobulines sont essentiellement composées de feuillets
Proline = acide aminé rare dans le feuillet
Valine = acide aminé fréquent dans le feuillet
5.2.3. Les coudes et les boucles
Les coudes et les boucles : structures secondaires irrégulières = non répétitives (pas de
répétition (, ) dans la chaîne polypeptidique)
Connectent entre elles les structures secondaires
Se situent plutôt vers l’extérieur des protéines
Engagent des liaisons hydrogènes avec l’eau
Stabilisation par liaison hydrogène
Coudes (ou tours) : quelques résidus
Boucles : jusqu’à une vingtaine de résidus
Proline et glycine sont des acides aminés fréquents dans les coudes et les boucles
5.2.4. Les structures super-secondaires
Structures super-secondaires Correspondent à des motifs simples ou complexes (= association particulière de structures secondaires) souvent
associés à une fonction biologique spécifiques des protéines
Ex de motifs simples : Boucle , Coin , feuillet twisté
Ex de motifs complexes : Barillet (tonneau ) = structure grillagée caractéristique de certaines transporteurs de
la membrane plasmique
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5.2.5. Structures secondaires et pathologie : exemple du prion
La protéine du prion normale est riche en hélices alpha
La protéine du prion pathologique responsable de la maladie de la vache folle est riche en feuillets bêta
Ce changement de structure entraîne l’insolubilité de la protéine pathologique :
L’élimination correcte de cette protéine pathologique devient impossible
La protéine s’accumule dans le cerveau où elle induit une dysfonction des neurones
La protéine anormale = scrapie est infectieuse : Elle induit un changement de conformation des protéines prion normales
De proche en proche les protéines prion normales deviennent pathogènes
5.3. Structure tertiaire des protéines
Structure tertiaire La structure tertiaire est le niveau minimal fonctionnel d’une protéine.
Toutes les protéines possèdent au moins les niveaux de structure primaire, secondaire et tertiaire
La structure tertiaire résulte des interactions entre acides aminés éloignés dans la structure primaire. Les
acides aminés se rapprochent à la faveur du repliement de la structure secondaire
Le repliement de la structure secondaire peut être orienté par la formation de pont(s) disulfure(s) entre
acides aminés cystéine d’une même chaîne. Le repliement de la structure secondaire est ensuite stabilisé par
liaisons faibles :
Entre segments d’une même chaîne
Entre segments de chaînes différentes
Les structures secondaires s’arrangent spécifiquement les unes par rapport aux autres.
Les protéines fibreuses ont la plupart du temps une structure hélicoïdale
Différentes hélices se groupent pour former une sorte de corde
Association de 2 hélices alpha = « coil – coil »
Protofilament = paire de « coil – coil »
Filament = surenroulement de 4 protofilaments
Notion de domaine fonctionnel Divers domaines fonctionnels peuvent être définis dans une protéine complexe
Chaque domaine va posséder une fonction particulière = la connaissance des différents domaines peut
informer sur la fonctionnalité d’une protéine
La résultante de tous ces domaines va conférer des propriétés spécifiques de la protéine
Certaines protéines peuvent avoir plusieurs domaines de fonction :
Domaine d’interaction avec une autre protéine
Domaine d’activité enzymatique…
Toutes les protéines peuvent partager des domaines particuliers. Ainsi, la présence d’un domaine particulier
dans une protéine peut déterminer son appartenance à une superfamille de protéines
Ex : domaine BH des protéines Bcl impliquées dans l’apoptose
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5.4. Structure quaternaire des protéines
Structure quaternaire Association d’au moins deux sous-unités le plus souvent par liaisons faibles (éventuellement pont(s)
disulfure(s) entre les sous-unités). On distingue deux types de liaisons :
Isologue : surface de contact entre monomères identique sur chacun des monomères (homodimère)
Hétérologue : surface de contact entre monomères différente sur chacun des monomères
(hétérodimère)
Une sous-unité = une structure tertiaire
Avantage des structures quaternaires pour la cellule = Réduction du rapport surface / volume + association de sites de liaison + coopérativité
La modification séquentielle de la conformation des différentes sous-unités correspond à la coopérativité.
Cette coopérativité est la résultante d’un phénomène générique majeur = l’allostérie qui confère des
propriétés de proche en proche entre les différentes sous-unités. Ainsi, les protéines allostériques ont le plus
souvent une structure quaternaire
L’association entre les différentes sous-unités conditionne l’activité de la protéine. La connaissance précise des zones d’interface aide à comprendre comment fonctionne la coopérativité (si elle existe) entre les différentes
sous-unités
Ex : conception d’inhibiteurs de la transcriptase inverse du VIH, qui bloquent la trimérisation de la
protéine
5.4.1. Exemples du collagène et de l’élastine
Exemple du collagène Hélice simple gauche (structure secondaire) formée par répétition de 3 acides aminés type (Gly – Pro – X)n,
X étant de nature variable
Gly et Pro imposent une rotation répétitive
Nombreux acides aminés atypiques : hydroxy-proline, hydroxy-lysine
Pas de liaisons hydrogène intra-chaîne dans l’hélice gauche
L’hélice gauche est stabilisée par liaisons hydrophobes
Tropocollagène : association de 3 hélices gauches pour former une triple hélice droite (diamètre 15Å, longueur
3000Å)
Stabilisation du tropocollagène : liaisons hydrogène inter-chaînes
Association de molécules de tropocollagène par ponts covalents pour former une fibrille de collagène est
assurée par lysines et hydroxy-lysine
Exemple de l’hélice d’élastine Séquence répétitive (Val – Pro – Gly – Val)n (différente de celle du collagène) qui confère à l’élastine une
structure et des propriétés particulières
Puissante propriétés de déformation
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5.4.2. Myoglobine et hémoglobine
Généralités En présence de O2 : extraction de 18 fois plus d’énergie à partir d’une molécule de glucose qu’en absence
d’O2
Existence de protéines de stockage de O2 :
Myoglobine dans le muscle : forte affinité pour O2
Neuroglobine dans les neurones
Cytoglobine dans de nombreuses cellules
Existence d’une protéine de transport de O2 : l’hémoglobine
Toutes ces protéines font partie de la famille des globines : elles ont des structures proches
Le paramètre P50 est représentatif de l’affinité des protéines pour O2
Plus P50 est petite plus l’affinité pour O2 est forte
P50 = pression partielle de O2 telle que 50% de la protéine est saturée en O2
Dans les tissus, la pression en O2 se situe entre 20 – 40mmHg
L’hème Myoglobine et hémoglobine = hétéroprotéines car :
Elles comportent une partie protéique (apoprotéine)
Elles comportent une partie non protéique = un groupement prosthétique = l’hème indispensable
pour l’activité biologique
L’hème se compose de 4 cycles pyrroles liés entre eux
L’hème comporte un atome de fer ferreux Fe2+ capable de lier réversiblement O2. On parle de ferro-myoglobine ou de ferro-hémoglobine
Fe2+ peut faire 6 liaisons de coordination : 4 liaisons de coordination avec l’hème (4 atomes d’azote des 4 cycles pyrroles)
1 liaison de coordination avec l’histidine proximale F8
1 liaison de coordination avec O2
En absence de O2 : Fe2+ se situe un peu au-dessus du plan de l’hème
O2 fait une autre liaison de coordination avec l’histidine distale E7
En présence de O2 : Fe2+ se déplace dans le plan de l’hème
L’oxydation de Fe2+ en Fe3+ (fer ferrique) rend les molécules inactives : On parle de méthémoglobine dans le cas de l’hémoglobine (ou ferri-hémoglobine)
On parle de ferri-myoglobine pour la myoglobine
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Myoglobine (hémoprotéine) Hémoglobine (hémoprotéine)
Protéine monomérique
Fixe O2 avec une forte affinité (non modulable)
grâce à l’hème (hémoprotéine)
Forme globulaire (sphérique)
« Semblable » à une sous-unité de l’hémoglobine
Permet le stockage de O2 dans les muscles
P50 = 3mmHg << 20mmHg donc dans les tissus la
myoglobine est saturée en O2 = la myoglobine est
une protéine de stockage de O2 et non pas une
protéine de transport
La fixation de O2 sur la myoglobine suit une
courbe hyperbolique
Protéine complexe = 4 chaînes polypeptidiques
2 sous-unités
2 sous-unités ou ou ou ou
Liées entre elles par des ponts salins =
liaisons ioniques = liaisons faibles
Pas de ponts covalents entre sous-unités
Hémoglobine adulte = HbA1 = 22
exprimée uniquement APRES la naissance
Hémoglobine fœtale HbF = 22 exprimée AVANT et UN PEU APRES la naissance
Fixe O2 avec une affinité modulable = capable de
relarguer O2
Transporte O2 grâce à l’hème (1 hème / chaîne,
transport de 4O2 = 1O2 / hème)
L’hémoglobine est une protéine allostérique :
Courbe de fixation de O2 = sigmoïde
La sigmoïde = existence d’effets coopératifs
= affinité pour O2 modulable = adaptation
au transport de O2
Toujours moins d’affinité pour O2 que la
myoglobine
P50 = 26mmHg >> P50 myoglobine
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Mécanisme et régulation de la fixation de O2 sur HbA1 (adulte)
Lors de la fixation de O2, le fer se déplace dans le plan de l’hème : ce mouvement se transmet à l’histidine proximale F8 et donc à l’ensemble de la chaîne polypeptidique (déplacement de proche en proche)
Les déplacements générés sur une sous-unité sont transmis à la sous-unité associée = coopérativité
Hb existe sous deux conformations en équilibre :
R active qui permet de fixer O2 = favorable à la coopérativité
T inactive qui NE PERMET PAS fixer O2 = défavorable à la coopérativité
Les activateurs allostériques favorisent la forme R en se fixant sur la forme R : ils augmentent l’affinité de
l’hémoglobine pour O2
Les inhibiteurs allostériques favorisent la forme T en se fixant sur la forme T : ils diminuent l’affinité de
l’hémoglobine pour O2
O2 a plus d’affinité pour R que pour T : la fixation de O2 sur la forme R déplace l’équilibre vers la forme
R = on considère que O2 est un activateur allostérique de Hb
Activateurs allostériques
O2
La fixation des deux premières
molécules O2 sur les chaînes
détruit le site du 2,3-BPG =
expulsion du 2,3-BPG
Inhibiteurs allostériques H+ : Une diminution du pH diminue l’affinité de Hb pour O2 (H
+ se fixe
sur la forme T donc déplace l’équilibre vers la forme T). Peut se produire
en cas d’acidose
CO2 : Une augmentation de PCO2 diminue l’affinité de Hb pour O2 (Effet
Bohr. CO2 se fixe sur la forme T donc déplace l’équilibre vers la forme T)
2,3-DPG (= 2,3-BPG) :
Intermédiaire de la glycolyse dans les tissus périphériques
Un site de fixation = cavité centrale sur l’hémoglobine = espace
entre les 4 sous-unités (entre les 2 chaînes )
INDISPENSABLE pour les effets coopératifs
Une augmentation de [2,3-BPG] favorise T = faible affinité
pour O2
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Fixation de O2 sur HbF (fœtale 22)
HbF a une affinité pour O2 > HbA1 (donc supérieure à l’hémoglobine maternelle)
Donc P50 HbF < P50 HbA1
Ainsi, la capture par HbF de O2 libéré par HbA1 est favorable
Cette différence d’affinité est liée à la plus faible affinité des chaînes
pour le 2,3-BPG
Donc HbF a moins d’affinité que HbA1 pour le 2,3-BPG. Mais HbF
reste allostérique
5.4.3. Deux modèles allostériques
Modèle concerté (Monod – Wyman – Changeux) Modèle séquentiel (Koshland)
Modèle symétrique = modèle « tout ou rien »
Existence d’une forme T en équilibre avec une forme R
O2 se fixe sur la forme R de telle façon que la forme T restante passe totalement sous forme R par déplacement
de l’équilibre entre R et T
Pas d’état intermédiaire entre R et T
Modèle plus proche de la réalité
Quand la première sous-unité fixe la première molécule O2, le déplacement de cette sous-unité
favorise la fixation d’une deuxième molécule O2 sur
la deuxième sous-unité et ainsi de suite
Existence d’états intermédiaires entre la forme R et la forme T
Modèle concerté
Modèle séquentiel
5.4.4. Hémoglobine : modèle pour l’étude des pathologies moléculaires
Exemple type : Drépanocytose : hémoglobine S (HbS) Mutation Glu → Val (codon n°6) chaînes de globine
Lors du passage dans la microcirculation, HbS relargue l’oxygène.
La désoxy-HbS se trouve alors dans une conformation qui favorise la formation d’une poche hydrophobe permettant la formation d’un polymère de désoxy-HbS → les globules rouges prennent une forme en faucille et
perdent une partie de leur caractère déformable
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