Titre Les protéines

plan 1.1-1.3 1. Structure des protéines. 1.1. Propriétés des acides aminés. * 1.1.1. Représentation et isomérie. * 1.1.2. Polarité des chaînes latérales. * 1.1.3. pHi. 1.2. Structure primaire. * 1.2.1. Liaison peptidique. * 1.2.2. Séquence. 1.3. Structure secondaire. * 1.3.1. Liaisons de faible énergie. * 1.3.2. Structures. 1.4. Structure tertiaire.

plan 1.4 1. Structure des protéines. * 1.4.1. Organisation. * 1.4.2. Méthode d’étude. * 1.4.3. Protéines globulaires. 1.4.4. Protéines membranaires. * La membrane du GR. * Types d’interactions. * Exemple: un canal ionique. * Exemple: une porine. * 1.4.5. Protéines fibreuses. 1.4. Structure tertiaire. 1.4.6. Pliage et dénaturation. * Dénaturation et renaturation spontanée. * Les protéines HSP. * Cas des prions.

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. carbone asymétrique 1.1.1 repr AA R * 1.1.1. Représentation et isomérie. 1.1. Propriétés des acides aminés. chaîne latérale Il a la forme d’un tétraèdre. La molécule ne possède qu’un seul carbone asymétrique. C H Les acides aminés existent sous deux formes. 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 C Fisher a mis au point une méthode pour représenter les molécules qui tient compte de l’isomérie. H H COO- COO- NH3+ NH3+

1.1.1 repr AA 1.1. Propriétés des acides aminés. R * 1.1.1. Représentation et isomérie. 1.1. Propriétés des acides aminés. Règles de la représentation de Fisher 1.1.1 repr AA R * 1.1.1. Représentation et isomérie. 1.1. Propriétés des acides aminés. La chaîne carbonée principale (la plus longue) est représentée par un trait vertical. chaîne latérale Les H ne sont pas représentés. C H L’extrémité portant la fonction la plus oxydée est située en haut. COO- NH3+ 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. fonction carboxyle fonction amine R R COO- NH3+ COO- NH3+ On peut représenter tous les acides aminées par cette technique. C C forme L forme D H H COO- COO- NH3+ NH3+

1.1.1 liste AA Acides aminés à chaîne latérale aliphatique. Représentations dérivées de la représentation de Fisher. 1.1.1 liste AA Acides aminés à chaîne latérale aliphatique. Acides aminés à chaîne latérale aromatique.

1.1.1 liste AA Acides aminés à chaîne latérale chargée. Acides aminés à chaîne latérale soufrée. Acides aminés à chaîne latérale à amide.

Les Anglo-saxons utilisent un système d’abréviations à une lettre. 1.1.1 Abrèv AA Retour plan

1.1.2 polarité 1.1. Propriétés des acides aminés. La nature des chaînes latérales influence le comportement de l’acide aminé dans son environnement. 1.1.2 polarité 1.1. Propriétés des acides aminés. Chaînes hydrophiles, solubles Forment des liaisons ioniques: -----> conformation de la protéine -----> implication dans les réactions chimiques * 1.1.2. Polarité des chaînes latérales. Groupements chargés Chaînes hydrophiles, solubles Tendent vers une charge partielle (liaisons H): -----> conformation de la protéine -----> implication dans les réactions chimiques -----> association avec les molécules d’eau (solubilité) Groupements polaires non chargés Chaînes hydrophobes Pas d’interaction avec le milieu aqueux -----> au cœur des protéines solubles -----> protègent le site catalytique de l’intrusion de l’eau -----> association avec les membranes Groupements non polaires

1.1.2 polarité 1.1. Propriétés des acides aminés. Cas particuliers * 1.1.2. Polarité des chaînes latérales. 1.1.2 polarité Chaîne latérale = H Adapté à milieu hydrophile et hydrophobe. Gly se trouve aux endroits où deux polypeptides sont en contact étroit (Collagène) Glycine (Gly) Le S de la chaîne latéral est capable de former une liaison covalente avec le S d’une autre Cys. Formation d’un pont disulfure. Cystéine (Cys) La structure cyclique de la chaîne latérale lui permet de former des boucles dans les chaînes peptidiques. Perturbe la structure secondaire. Proline (Pro) Retour plan

Le pH modifie l’état d’ionisation des fonctions acido-basiques. 1.1. Propriétés des acides aminés. Le pH modifie l’état d’ionisation des fonctions acido-basiques. pH * 1.1.3. pHi. Il existe une valeur de pH pour laquelle la charge globale de la molécule est neutre. pHi COO- NH2 Neutralisation 2 Demie neutralisation Globalement - pKa2 Globalement neutre Neutralisation 1 COO- NH3+ Cette valeur est importante pour déterminer le pH des tampons utilisés pour les électrophorèses. Demi neutralisation pKa1 COOH NH3+ Globalement + V base ajoutée

1.1.3 pH 1.1. Propriétés des acides aminés. * 1.1.3. pHi. AA pKa Asp 4,7 Glu His 6,5 Lys 10,2 Arg 12

1.1.3 pH 1.1. Propriétés des acides aminés. Et là, ça ne marche plus! Ce n’est pas si simple que ça! * 1.1.3. pHi. 1.1.3 pH Le pHi se calcule à partir des pKa des différents groupes acido-basiques. Il faut connaître les pKa des fonctions terminales. Pour une grande protéine, leur influence est négligeable devant la quantité de chaînes latérales. Il faut connaître les pKa des chaînes latérales. Cas d’un groupement unique: pHi = pKa Cas de 2 groupements : pHi = (pKa1 + pKa2)/2 Cas de plusieurs groupements : pHi = moy (pKa) La présence des autres acides aminés influence le comportement des fonctions acido-basiques. Et là, ça ne marche plus!

1.1.3 pH 1.1. Propriétés des acides aminés. * 1.1.3. pHi. La présence des autres acides aminés influence le comportement des fonctions acido-basiques. Retour plan

1.2.1 liais pept Formation de la liaison Caractéristiques de la liaison * 1.2.1. Liaison peptidique. 1.2. Structure primaire. Succession de liaisons peptidiques dans une protéine. déshydratation Rotation et organisation dans l’espace. Retour plan

Cas des modifications post transcriptionnelles: 1.2. Structure primaire. * 1.2.2. Séquence. 1.2.2 seq Il s’agit de l’ordre des acides aminés dans la protéine. NH3+ - His - Leu – Ile – Asp – Pro – Tyr – Phe – Phe - ... H – L – I – D – P – Y – F – F - ... Cas des modifications post transcriptionnelles: On trouve dans les protéines un certain nombre d’autres acides aminés qui résultent de l’altération des chaînes latérales des 20 AA de base après leur incorporation dans la chaîne protéique. Incorporation d’un phosphate à une Ser, Thr ou Tyr. D interaction avec d’autres protéines. D durée de vie dans la cellule. Une erreur peut être à l’origine d’un cancer.

1.2.2 seq 1.2. Structure primaire. Détermination des séquences. Détermination de la composition. hydrolyse de la protéine 110°C, HCl 6 mol.L-1 pendant 24h chromatographie d’échange d’ions révélation par ninhydrine fluorescamine interprétation: Réagit avec les amines en bleu avec les imines (Pro) en jaune Réagit avec les amines en donnant un produit fluorescent (très sensible) On identifie les AA en fonction de leur volume d’élution. dans ce cas le peptide contient: Ala, Arg, Asp, Gly2, Phe

Détermination des séquences. Détermination de la composition. 1.2. Structure primaire. Détermination des séquences. * 1.2.2. Séquence. 1.2.2 seq Détermination de la composition. Spectrométrie de masse.

Détermination des séquences. Détermination de l’extrémité N-terminale. 1.2. Structure primaire. Détermination des séquences. * 1.2.2. Séquence. 1.2.2 seq Détermination de l’extrémité N-terminale. Méthode de Sanger Fixation sur la fonction amine terminale d’un réactif. Hydrolyse du peptide. Identification par chromatographie. F -- NH F H2N Ala Gly Asp Phe Arg Gly Remarque: cette méthode ne peut pas être utilisée de façon répétitive car le peptide est hydrolysé totalement.

1.2.2 seq 1.2. Structure primaire. Détermination des séquences. Détermination de la séquence. Méthode d’Edman Fixation sur la fonction amine terminale d’un réactif. Hydrolyse douce du premier AA. Identification par chromatographie. NH – C – NH S N = C = S H2N H2N Ala Gly Asp Phe Arg N = C = S Remarque: Il suffit de recommencer pour déterminer la séquence. Retour plan

1.3.1 faible Eg H O -- N -- H O -- H O -- NH3+ -OOC -- force = d+.d- Forces de Van der Waals 1.3.1 faible Eg Liaisons hydrogène. H O Lorsqu’ils sont très proches, deux atomes développent une interaction de liaison faible due à la fluctuation de leurs charges électriques. L’eau fait compétition avec les liaisons hydrogène. -- N -- H O -- 0,1 nm 0,2 nm Eg répulsion attraction distance entre les atomes r éq (nm) H 0,12 C 0,20 N 0,15 O 0,14 équilibre Liaisons ioniques. 1.3. Structure secondaire. * 1.3.1. Liaisons de faible énergie. H O Ici aussi, l’eau fait compétition avec les liaisons. -- NH3+ -OOC -- d+ d- force = d+.d- r2D loi de Coulomb Deux atomes sont attirés l’un par l’autre jusqu’à ce que la distance qui les sépare soit égale à la somme de leurs rayons de VdW D = cte diélectrique = 1 pour le vide = 80 pour l’eau Retour plan

1.3.2 struct sec a C O H N 1.3. Structure secondaire. Il existe trois types d’organisations spatiales au sein des protéines. 1.3.2 struct sec a Hélice a 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. C O 1.3. Structure secondaire. L’hélice est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupes NH du résidu n avec les groupes NH des résidus n+4 H N * 1.3.2. Structures. 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

Il existe trois types d’organisations spatiales 1.1.3. Structure secondaire. Il existe trois types d’organisations spatiales au sein des protéines. * 1.3.2. Structures. 1.3.2 struct sec b 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 structure est stabilisée par des liaisons H entre CO et NH de chaînes différentes. La soie est constituée presque exclusivement de feuillet b Les chaînes peuvent être dans le même sens (parallèles) ou en sens inverse (antiparallèles). Le 3ème type d’organisation, l’hélice de collagène, est étudiée plus loin. 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 Retour plan

1.4.1 struct tert * 1.4.1. Organisation. C’est une représentation de la conformation de l’ensemble de la protéine. 1.4.1 struct tert * 1.4.1. Organisation. Cette conformation est stabilisée par une série de liaisons non covalentes entre les différentes chaînes latérales de la protéine. Retour plan

1.4.2 méth étude * 1.4.2. Méthode d’étude. On détermine la structure tertiaire d’une protéine par cristallographie aux rayons X. 1.4.2 méth étude On bombarde un cristal de protéine par un mince faisceau de rayons X. * 1.4.2. Méthode d’étude. 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 Retour plan

75% de la myoglobine est formé d’hélice a. 1.4.3 prot glob Les protéines globulaires ont une forme compacte qui résulte de nombreux « pliages » et torsion. * 1.4.3. Protéines globulaires. 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.

1.4.3 prot glob * 1.4.3. Protéines globulaires. La plupart des protéines globulaires sont composées de plusieurs modules distincts qui se replient indépendamment et possèdent des fonctions autonomes: les domaines. 1.4.3 prot glob domaines 2 Phospholipase C domaines 1 domaines 3 domaines 4 Les domaines proviennent sans doute de gènes indépendants qui ont fusionné au cours de l’évolution. On les retrouve dans d’autres protéines Retour plan

1.4.4 prot mbr * La membrane du GR. La membrane du globule rouge humain est la plus étudiée. 1.4.4 prot mbr Protéines périphériques (extrinsèques) GR * La membrane du GR. Ghost Squelette interne de la membrane Protéines internes (intrinsèques) SDS-PAGE Retour plan

1.4.4 prot mbr * Types d’interactions. Les interactions avec la membrane sont relativement faible. On peut les séparer par modification de la force ionique ou du pH. Protéines périphériques (extrinsèques) Avec les glycolipides. Liaisons covalentes * Types d’interactions. Pont disulfure avec les protéines intégrées Avec les têtes des phospholipides. Liaisons non covalentes Avec les protéines intégrées Interactions hydrophobes Avec les protéines intégrées Retour plan

1.4.4 prot mbr * Exemple: un canal ionique. Retour plan Boucles extracellulaires Protéines périphériques (extrinsèques) Protéines intégrées (intrinsèques) Domaine du pore Domaine sensible au voltage Les segments intra-membranaires sont des hélices a. * Exemple: un canal ionique. Canal K+ voltage-dépendant Boucles intracellulaires En contact avec la membrane (queues aliphatiques): AA non polaires Les chaînes latérales des hélices sont orientées vers l’extérieur. En contact avec le milieu aqueux (LIC, LEC, pore): AA polaires et/ou chargés

1.4.4 prot mbr * Exemple: une porine. Couronne de feuillet b Protéines intégrées (intrinsèques) membrane externe Ils peuvent être également des feuillets b Les segments intra-membranaires sont des hélices a. * Exemple: une porine. peptidoglycane membrane interne Retour plan Membrane d’une bactérie Gram-

Les protéoglycanes se trouvent dans la matrice extracellulaire. Les protéines fibreuses possèdent une conformation et une séquence monotone. 1.4.5 prot fibreuse Les protéoglycanes se trouvent dans la matrice extracellulaire. molécule protéique axiale. chaînes de différents glycosaminoglycanes en proportion variable. * 1.4.5. Protéines fibreuses. Retour plan

1.4.5 pliage sp * Dénaturation et renaturation spontanée. L’activité d’une protéine dépend totalement de sa conformation. 1.4.5 pliage sp Le processus de « pliage » doit être rigoureux et reproductible. Processus spontané. Cas de la renaturation de la ribonucléase. élimination des facteurs de dénaturation dénaturation réduction des ponts diS détergent solvants orga radiations Phénomène thermodynamique: la conformation native correspond au niveau de plus faible énergie. 124 AA * Dénaturation et renaturation spontanée. chaleur 4 ponts diS urée Retour plan b mercaptoéthanol

Protéines chaperonnes Ces protéines apparaissent dans la cellule en cas de stress du des températures élevées (protéine de choc thermique = heat-shock protein = HSP) à l’origine de dénaturation. 1.4.5 pliage HSP Protéines chaperonnes Plusieurs protéines (HSP70) aident les protéines non ou mal repliées à atteindre leur conformation correcte. Elles s’unissent à de courts segments d’acides aminés hydrophobes qui devraient être masquées si la protéine était en conformation native. « Moi aussi, ça me chiffonne de les voir repliées! » * Les protéines HSP. Retour plan

Les prions anormaux agissent comme des agents infectieux (Creutzfeld-Jacob, encéphalopathie spongiforme,…) Protéines existant sous deux conformations et possédant des propriétés physiques différentes. 1.4.5 prion Protéine Prion Scrapie (tremblante du mouton) Protéine Prion Cellulaire Forme normale PrPc Forme pathologique PrPSc En présence de la forme anormale, les prions cellulaires sont progressivement transformés en forme anormale à la suite d’une réaction en chaîne. Présence de deux hélices a et d’un feuillet b Présence de trois hélices a Cette polymérisation est létale. Un phénomène voisin (il ne s’agit pas de prion) se déroule au cours de la maladie d’Alzheimer. Une protéine tronquée forme des fibrilles insolubles. Polymérisation spontanée en fibrilles insolubles. Résistant aux protéases. Monomère soluble. Sensible aux protéases. * Cas des prions. Retour plan