STRUCTURE DES PROTÉINES BASES DE LA BIOLOGIE STRUCTURALE

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1 STRUCTURE DES PROTÉINES BASES DE LA BIOLOGIE STRUCTURALE
 Intérêts : « drug design » (IEC), physio- pathologie (HbS)  1 notion  1 méthode 1 exemple  des pré-requis : - chimie bio-organique : acides aminés (20 AA fondamentaux) et oses, acides gras - biologie cellulaire : fonctions des protéines, acides nucléiques, structure et fonctions des membranes, organites, matrice extra-cellulaire - biophysique : spectroscopies, spectrométries

2 I- DÉFINITIONS ET CLASSIFICATIONS
1- PEPTIDES ET PROTÉINES amidification – classification selon longueur de la chaîne 2- CLASSIFICATION DES PROTÉINES SELON LEUR COMPOSITION holo- et hétéro-protéines (glyco-, lipo-, phospho-, métallo-, chromo-) 3- CLASSIFICATION DES PROTÉINES SELON LEUR STRUCTURE GLOBALE 1 ou plusieurs chaînes polypeptidiques 4- CLASSIFICATION DES PROTÉINES SELON LEURS STRUCTURES 2RES - protéines globulaires : classes , , /,  +  - protéines fibrillaires (fibreuses) : 1 type 2re + superstructure 4re

3 II- LIAISON PEPTIDIQUE ET STRUCTURE 1RE
4 niveaux structuraux 1- PROPRIÉTÉS DE LA LIAISON PEPTIDIQUE mésomérie  distances interatomiques diminuées, coplanéité des atomes, conformation trans bloquée, NH non ionisable, flexibilité par rotations sur les axes C- C et C-N 2- NOMENCLATURES - orientation conventionnelle: N1 --- Cn Phe – Val – Asn – Glu – His – Leu F V N Q H L - définition de la structure 1re : séquence et séquençage

4 3- OLIGOPEPTIDES - POLYPEPTIDES
- propriétés organoleptiques - caractère amphotère : définition du pI (zwitterion) - caractère amphiphile - hydrolyses : chimiques (HCl, NaOH, CNBr) et enzymatiques (amino-, carboxy-, endo-peptidases) - exemples d’oligopeptides d’intérêt biologique : glutathion, insuline, endorphines… 4- SÉQUENÇAGE DES PEPTIDES ET PROTÉINES - méthodes chimiques (Sanger, Edman/PITC) et par la génétique moléculaire (cDNA et code génétique) - résultats dans les protéines globulaires et fibreuses

5 III- STRUCTURE 2RE 1- DÉFINITION - repliement régulier, périodique (hélice , feuillet ) ou non (coude )  angles  (C-C) et  (C-N) - rôle des liaisons H - diagramme de Ramachandran: conformations stables 2- HÉLICE  - modèle -kératine et hémoglobine, myoglobine :  et  du même signe, liaison H/n + 4, 3,6 résidus/tour, hélice droite (3,6 - 13)

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8 - plus rarement : hélice 3,6 - 13 gauche
hélice  (liaison H/n + 5) hélice (liaison H/n + 3, 3 résidus/tour) - AA favorisant 3- FEUILLET  - conformation  : modèle -kératine ( - 40°,  + 60°) - associations de brins  en feuillet : liaisons H parallèle ou anti-parallèle (+ stable) - « épingles à cheveux »  type I et II (Gly); coude  - AA favorisant 4- STRUCTURES NON PÉRIODIQUES - coudes  (2re apériodique) : cis-Pro (6 %)  sites de modifications post-traductionnelles (P, chaînes glycaniques…)

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12 - boucles : jonctions stables
- « pelote statistique » : modèle polyAsp ou polyGlu 5- SUPER-STRUCTURES 2RES  : -boucle- (sites de liaison du Ca2++, de l’ADN…) « fagot »  (4 hélices antiparallèles) : « the hemoglobin form »  : motif grec, « tonneau »  (antiparallèles), feuillets  parallèles : « hélice  »

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17 / :  (motif de Rossman/déshydrogénases à NAD+)
« tonneau » /, « feuille torsadée », « sabot » / (enzymes glycolytiques : HK, TPI, PK) / +  (tyrosyl-tRNA-synthétase) / +  (carboxypeptidases : Zn2+) IV- STRUCTURE 3RE 1- DÉFINITION - conformation privilégiée (thermodynamiquement stable : entropie minimale), aspects tridimensionnels/repliements multiples dont ceux du 2re - relations structure/activité : adaptations conformationnelles (efficacité catalytique des enzymes, reconnaissances AG/AC et récepteur /ligand)

18 2- MAINTIEN DE LA STRUCTURE 3RE
Liaisons stabilisatrices :  S - ponts disulfure : Cys adjacentes en 3D - interactions faibles : liaison ionique par interactions électrostatiques, liaison H, interactions hydrophobes (forces de Van der Waal’s) 3- DÉNATURATION - emploi de réducteurs : ME, DTT  dénaturation partielle ponts disulfure intra- et inter-caténaires (Ig) - dénaturations thermique, chimique (pH extrêmes, précipitations au pI et aux sels neutres, emploi d’agents dénaturantss type urée et SDS)

19 4- LE REPLIEMENT CONFORMATIONNEL
- Définition : co-traductionnel  polypeptide replié biologiquement actif aspects thermodynamiques et cinétiques : intermédiaires à la recherche du repliement de plus faible S . phase rapide : nécessité « chaperons » moléculaires . phase lente : spontanée (thermodynamie) - Les chaperons protéiques (chaperonines et HSP, protéino-disulfure-isomérases/ponts SS, peptidyl-prolyl-isomérase/cis-Pro) exemple du système GROEL/GROES

20 - Aspects cinétiques : < 100 AA : sans intermédiaire (0,1 - 1 s) > 100 AA : intermédiaires guidés par chaperons ( s)  « molten-globule » : enfouissement des résidus hydrophobes, importance des coudes  et des ponts SS - Familles et super-familles de repliement : conservation phylogénique (structurale/super 2re et domaines, mais fonctionnel prime sur le structural/super-familles) exemple : les sérine-protéases (conservation du site actif)

21 V- STRUCTURE 4RE 1- DÉFINITION - association spécifique de plusieurs chaînes polypeptidiques par liaisons faibles, non covalentes ; définition différente pour protéines fibreuses - notion d’oligomérie (monomères identiques ou protomères différents/gènes différents à expression coordonnée), structure symétrique 2- MODÈLE DE L’HÉMOGLOBINE Structure 4re et allostérie

22 3- L’ALLOSTÉRIE, UN EXEMPLE DE TRANS- CONFORMATION
- équilibre entre plusieurs conformères : 2 (T/R) : théorie de Monod-Wyman-Changeux plusieurs conformères selon le nombre d’oligomères : Koshland - relations avec activité biologique (protéines de transport, récepteurs/effets homotropes des ligands, enzymes allostériques/effets homotropes des substrats et hétérotropes de ligands)  régulations métaboliques cellulaires et physiologiques

23 VI- HÉTÉROPROTÉINES ET MODIFICATIONS POST- TRADUCTIONNELLES
1- PHOSPHOPROTÉINES ET PHOSPHORYLATIONS - protéine-kinases/phosphatases spécifiques - sites de phosphorylation : -OH (Ser, Thr, Tyr) 2- MÉTALLOPROTÉINES Cations métalliques ou alcalino-terreux/liaisons de coordination 3- GLYCOPROTÉINES ET GLYCOSYLATIONS - chaînes glycaniques : O et N-glycosyl-protéines - OH Ser/Thr  GalNAc, NaNa - NH Asn/séquence consensus  GlcNAc/pentasaccharide de base trois grands types d’isoglycanes  ramifiés et antennés

24 - propriétés biologiques
- déglycosylations chimiques et enzymatiques 4- LIPOPROTÉINES formes circulantes (plasmatiques) micellaires des lipides : apolipoprotéines 5- PROTÉINES MEMBRANAIRES - protéines périphériques - protéines intégrées : 1 TM, 4 TM (canaux ioniques), 7 TM (bactériorhodopsine) ; hélice  et hydrophobie (diagramme d’hydrophobie) ; ancrages lipidiques (glypiation, isoprénylation…)

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26 VII- QUELQUES GRANDES FAMILLES DE PROTÉINES GLOBULAIRES
1- ALBUMINES structure et fonction de transport et maintien de la pression oncotique 2- IMMUNOGLOBINES bases structurales des principales classes : relations structure/fonction 3- PROTÉINES LIANT L’ADN ( boucle , doigts à Zn, « leucine-zipper ») interactions protéines-ADN VIII- QUELQUES PROTÉINES FIBRILLAIRES 1- LES KÉRATINES (,, fibroïne) 2- PROTÉINES CONTRACTILES (actine/myosine, tubuline du cytosquelette) 3- LES COLLAGÈNES

27 IX- MÉTHODES D’ÉTUDES DES PROTÉINES ET DE LEUR STRUCTURE
1- PURIFICATION (extraction, fractionnement, chromatographies et électrophorèses préparatives) 2- ÉTUDE DES PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES - composition (en AA, en groupements prosthétiques) et séquençage - détermination de la taille et de la masse moléculaire

28 3- MÉTHODES DE DÉTERMINATION 3D
- spectrométries : directe et UV/visible, dichroïsme circulaire (taux d’hélicité), en fluorescence - radiocristallographie et RMN-2D 4- MÉTHODES DE PRÉDICTION 5- INTERACTIONS PROTÉINE-LIGAND (analyse de Scatchard, coopérativité moléculaire)

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