Constituants du vivant Chapitre 1 Constituants du vivant titre 1ère partie Les protéines

plan 1. Bases de chimie. 2. Les acides aminés. 3. Structure primaire des protéines. 4. Structure secondaire des protéines. 5. Structure tertiaire des protéines. 6. Structure quaternaire.

1. Bases de chimie. 1 Les éléments les plus abondants: C, H, O, N, P et S. + des éléments ioniques minéraux: Ca, K, Na, Mg, Cl. nuage électronique noyau Molécule : ensemble d’atome reliés par des liaisons covalentes. Liaison covalente: mise en commun de paires d’électrons entre deux atomes. Molécule organique: molécule contenant au moins 1 atome de C lié à un atome d’oxygène ou d’azote PLAN 3

stockage de l’information génétique 1. Bases de chimie. Les molécules organiques sont réparties en 4 familles. 1 Ces 4 familles possèdent des structures, des propriétés physiques et des rôles très différents dans la cellule. Glucides. Lipides. Protéines. Acides nucléiques. Cours de première Energie Energie Structural stockage de l’information génétique Antigène Structural (membrane) activité catalytique (enzyme) Cours de terminale Cours de terminale Cours de terminale Cours de première PLAN 4

2 2. Les acides aminés. R C H COO- NH3+ R R C C H H NH3+ COO- COO- Cette propriété est due à la présence d’un carbone asymétrique. Un acide aminé est constitué par un carbone (appelé carbone a) relié à 4 groupements différents. 2 carbone asymétrique R chaîne latérale Il a la forme d’un tétraèdre. La molécule ne possède qu’un seul carbone asymétrique. Les acides aminés existent sous deux formes. C H COO- NH3+ Il existe une symétrie entre les deux: ce sont des stéréo-isomères. Fonction carboxyle Fonction amine R R Elles sont images l’une de l’autre dans un miroir: on parle d’énantiomères. C Fisher a mis au point une méthode pour représenter les molécules qui tient compte de l’isomérie. C H H NH3+ COO- COO- NH3+ PLAN 5

2 2. Les acides aminés. Règles de la représentation de Fisher C NH3+ La chaîne carbonée principale (la plus longue) est représentée par un trait vertical. C NH3+ COO- H R Fonction amine Fonction carboxyle chaîne latérale carbone asymétrique Les H ne sont pas représentés. L’extrémité portant la fonction la plus oxydée est située en haut. Le groupement OH (ou NH) du carbone asymétrique est orienté vers l’observateur et est situé à droite pour les séries D et à gauche pour les séries L. PLAN 6 COO- NH3+ COO- NH3+ On peut représenter tous les acides aminées par cette technique. forme L forme D Isomères possédant un seul C asymétrique = énantiomères.

2. Les acides aminés. 2 Acides aminés à chaîne latérale soufrée. Acides aminés à chaîne latérale aliphatique. Acides aminés à chaîne latérale à amide. Acides aminés à chaîne latérale chargée. Représentations dérivées de la représentation de Fisher. Acides aminés à chaîne latérale aromatique. PLAN 7

2 2. Les acides aminés. H O H H O O H O H O H O PLAN 8 La nature des chaînes latérales influence le comportement de l’acide aminé dans son environnement. 2 Groupements chargés H O H O H O Bonne solubilité dans l’eau. Les molécules d’eau, polaires s’agglutinent autour des groupements chargés. H O Les groupes chargés participent aux liaisons de faible énergie H O H O PLAN 8

2 2. Les acides aminés. O H O H PLAN 9 La nature des chaînes latérales influence le comportement de l’acide aminé dans son environnement. 2 Groupements polaires non chargés Groupements chargés Bonne solubilité dans l’eau. Les atomes d’hydrogène participent aux liaisons hydrogène. O H O H PLAN 9

2. Les acides aminés. La nature des chaînes latérales influence le comportement de l’acide aminé dans son environnement. 2 Groupements polaires non chargés Groupements non polaires Groupements chargés Pas d’interaction avec le milieu aqueux On les retrouve au cœur des protéines où elles protègent le site catalytique de l’intrusion de l’eau Elles sont souvent associées aux membranes PLAN 10

Le pH modifie l’état d’ionisation des fonctions acido-basiques. 2. Les acides aminés. Le pH modifie l’état d’ionisation des fonctions acido-basiques. 2 Il existe une valeur de pH pour laquelle la charge globale de la molécule est neutre. pHi pH Neutralisation 2 COO- NH2 Demie neutralisation Globalement - pKa2 Globalement neutre Neutralisation 1 COO- NH3+ Demie neutralisation Cette valeur est importante pour déterminer le pH des tampons utilisés pour les électrophorèses. pKa1 COOH NH3+ PLAN 11 Globalement + V base ajoutée

2. Les acides aminés. 2 Le pHi se calcule à partir des pKa des différents groupes acido-basiques. pKa = 2,2 Il faut connaître les pKa des fonctions terminales. (ils changent en fonction des acides aminés) Il faut connaître le pKa de la fonction latérale. pKa = 9,7 On calcule la moyenne. pHi = S pKA / n pHi = (2,2 + 9,7 +4,3) / 3 = 5,4 positif neutre négatif pKa = 4,3 pH = 5,4 PLAN 12

* La liaison peptidique * 3. Structure primaire des protéines. * La liaison peptidique * 3 déshydratation La présence d’électrons délocalisés engendre une conformation plane des liaisons entre les 2 C asymétriques. PLAN 13

3 NH3+ - His - Leu – Ile – Asp – Pro – Tyr – Phe – Phe - ... 3. Structure primaire des protéines. 3 Séquence d’une protéine: ordre des acides aminés dans la protéine. On commence toujours par l’extrémité N terminale. NH3+ - His - Leu – Ile – Asp – Pro – Tyr – Phe – Phe - ... PLAN 14

4 H O -- N -- H O -- H O -- NH3+ -OOC -- 4. Structure secondaire des protéines. * Les liaisons de faible énergie* 4 Liaisons hydrogène. H O Forces de Van der Waals -- N -- H O -- Lorsqu’ils sont très proches, deux atomes développent une interaction de liaison faible due à la fluctuation de leurs charges électriques. 0,1 nm 0,2 nm L’eau fait compétition avec les liaisons hydrogène. Eg répulsion attraction distance entre les atomes équilibre Liaisons ioniques. H O -- NH3+ -OOC -- Ici aussi, l’eau fait compétition avec les liaisons. PLAN 15

4 C O H N 4. Structure secondaire des protéines. PLAN 16 Il existe trois types d’organisations spatiales au sein des protéines. 4 La chaîne peptidique est enroulée sur elle-même et les chaînes latérales sont disposées à l’extérieur de façon hélicoïdale à la manière d’un escalier en colimaçon. Hélice a C O L’hélice est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupes NH du résidu n et les groupes CO des résidus n+4 H N La proportion d’hélice est très variable d’une protéine à l’autre: myoglobine > 60 % chymotrypsine = 0 % 3,6 AA par tour 15 nm de translation entre deux AA PLAN 16

Il existe trois types d’organisations spatiales 4. Structure secondaire des protéines. Il existe trois types d’organisations spatiales au sein des protéines. 4 Feuillet b La chaîne peptidique est totalement étirée (distance axiale entre AA adjacents = 35 nm). La structure est rigide et résiste à l’étirement. La soie est constituée presque exclusivement de feuillet b La structure est stabilisée par des liaisons H entre CO et NH au sein d’une même chaîne ou dans des chaînes différentes. Les chaînes peuvent être dans le même sens (parallèles) ou en sens inverse (antiparallèles). Le 3ème type d’organisation, l’hélice de collagène, sera abordée plus tard. Les chaînes peuvent changer brusquement de direction et former des coudes. Le groupe CO d’un AA en position n forme une liaison H avec le NH d’un AA en position n+4 PLAN 17

5 5. Structure tertiaire des protéines. PLAN 18 C’est la combinaison des différentes hélices a et / ou feuillet b qui donne sa forme tridimensionnelle à la protéine. 5 Cette conformation est stabilisée par une série de liaisons non covalentes entre les différentes chaînes latérales de la protéine. PLAN 18

protéine cristallisée 5. Structure tertiaire des protéines. On détermine la structure tertiaire d’une protéine par cristallographie aux rayons X. 5 On bombarde un cristal de protéine par un mince faisceau de rayons X. Le rayonnement est dispersé (difracté) par les atomes de la protéine et frappe une plaque sensible au rayonnement (détecteur). On effectue une analyse mathématique complexe de l’image et on en déduit l’organisation des atomes. détecteur émetteur de rayons X protéine cristallisée PLAN 19

75% de la myoglobine est formé d’hélice a. 5. Structure tertiaire des protéines. 5 Les protéines globulaires ont une forme compacte qui résulte de nombreux « pliages » et torsion. Des acides aminés éloignées sur la séquences se retrouvent à proximité et peuvent participer à la même activité (reconnaissance d’un ligand, centre catalytique, fixation d’un groupement prosthétique...) Myoglobine 75% de la myoglobine est formé d’hélice a. La chaîne est repliée sur elle-même pour délimiter une poche hydrophobe où l’hème est à l’abri de l’oxydation et peut fixer l’O2. PLAN 20

Liaisons entre les sous-unités: Structure quaternaire 6. Structure quaternaire des protéines. Beaucoup de protéines sont composées d’une seule chaîne polypeptidique. Beaucoup d’autres sont formées de plusieurs chaînes, des sous unités. 6 Homodimère: Protéine composée de sous-unités identiques. Liaisons entre les sous-unités: ponts disulfures liaisons non covalentes interactions hydrophobes Hétérodimère: Protéine composée de sous-unités différentes. Structure tertiaire (monomère) Structure quaternaire (sous-unité) Une protéine, même composées de plusieurs sous-unités (par exemple l’hémoglobine) est considérée comme une protéine simple dotée d’une fonction unique. PLAN

L’hémoglobine est l’exemple type de molécule soluble multimérique. 6. Structure quaternaire des protéines. L’hémoglobine est l’exemple type de molécule soluble multimérique. 6 L’hémoglobine est composée de 4 sous-unités, les globines, qui portent chacune un hème. a1 a2 b2 b1 Une protéine, même composées de plusieurs sous-unités (par exemple l’hémoglobine) est considérée comme une protéine simple dotée d’une fonction unique. PLAN 22