La structure des protéines II Pr Eric Chabriere eric.chabriere@afmb.univ-mrs-.fr

La structure secondaire

Dans l'enchainement des plans peptidiques, il y a 2 degrés de liberté. -L'angle de rotation autour de la liaison C-Ca déterminé par y (N, Ca,C, N) -l'angle de rotation autour de la liaison Ca-N déterminé par f (C,N,Ca,C) La structure du squelette de la protéine (Ca) est déterminé par ses 2 angles pour chaque acide aminé

Diagramme de Ramachandran En raison de l'encombrement stérique, tous les angles f, y ne sont pas permis Diagramme de Ramachandran Il y des régions autorisées qui correspondent aux: Hélice a Feuillet b Hélice à gauche Très court (pas de structure secondaire) Ainsi, une protéine va se replier soit en hélices, soit en feuillets.

Elles servent à rompre les structure secondaire. Exceptions La glycine Ne possède pas de chaine latérale va pouvoir adopter n'importe quelle conformation. La proline est un résidu cyclique, impose des contraintes aux angles f,y Les glycines et les prolines sont souvent absentes des structure secondaire. Elles servent à rompre les structure secondaire.

Les hélices

C'est une structure compacte L'hélice a tourne à droite Les hélices a Si les angles dièdres f,y de la chaine principale sont d'environ -57° et -69°. La chaine principale adopte une structure périodique appelés hélice a. C'est une structure compacte L'hélice a tourne à droite Représentation schématique de la chaine principale (Ca ou backbone) C'est la structure secondaire la plus abondante. Elle a une longueur de 10 acides aminés en moyenne

Stabilité de l'hélice a Représentation en "sphère" des atomes de la chaine principale L'hélice est une structure compacte qui maximise les interaction de Van der Walls

Les extrémités N-term et C-term ne sont pas satisfaite en liaisons H Stabilité de l'hélice a Le groupe carbonyle C=O du residu i est en liaison hydrogène avec le groupe N-H du résidu I+4. Un tour d hélice a contient de 3.6 résidus et possède un pas de mesure 5.4 Å 5.4 Å Les extrémités N-term et C-term ne sont pas satisfaite en liaisons H (souvent complété par des chaine latérale "capping") Représentation des liaisons hydrogène de la chaine principale

Les chaines latérales les chaînes latérales des acides aminés sont localisées en périphérie de l'hélice et pointent vers l'extérieur (encombrement minimale). Le dessin d’une hélice roue peut donner des indications du degré d’exposition au solvant (buried, semi-exposed, exposed). Aussi : prédiction des hélices trans-membranaires.

L'hélice a, un macrodipôle -0.5 Dans une hélice a, tous les dipôles formés par la chaine principale sont alignés (3.5 D) Il en résulte la formation d'un macrodipôle avec une demie charge par extrémité. L'extrémité N-term est parfaite pour stabiliser un ion phosphate +.5

Ce type de conformation est rare. Autres types d'Hélices. hélice a hélice p hélice 310 L'hélice 310: Fait une liaison hydrogène avec le groupe C=O du résidu I et le groupe N-H du résidu I+3. Cette hélice est plus étroite et plus allongée que l'hélice a. (pas: 3 résidu et 6Å). Ce type de conformation est peu fréquent et sa longueur dépasse rarement 1 à 2 tours L'hélice P: Fait une liaison hydrogène avec le groupe C=O du résidu I et le groupe N-H du résidu I+5. Cette hélice est plus large et plus ramassée que l'hélice a. (pas 4 résidu et 5Å). Ce type de conformation est rare.

8 protofibrilles s'assemblent pour former une microfibrille Hélices multiples. Le collagène (os, tendon, peau, vaisseau,…) est riche en proline et glycine. La chaine principale aura une géométrie particulière en hélice gauche. Ensuite 3 hélices gauche se rassemble pour former une triple hélice droite. Triple hélice de tropocollagène kératine (cheveu, ongle, bec,…) La chaine principale de la kératine forment des hélices a. 3 hélices peuvent s'enroulent ensemble pour former une protofibrille. 8 protofibrilles s'assemblent pour former une microfibrille

L'hélice a est: -une structure compacte -Le cœur est stabilisé par les forces de VDW -Les liaisons hydrogène de la chaine principale sont naturellement stabilisées (sauf aux extrémité) -sont chargées aux extrémités (macrodipole) -Les chaines latérales pointent à l'extérieur (en sapin)

Les feuillets

Les feuillets et brin b Si les angles dièdres f,y de la chaine principale sont d'environ -135° et 135°. La chaine principale adopte une structure étendu appelés brin b. Représente environ 20-28 % des acides aminés dans les structure globulaire. Le brin a une longueur de 6 acides aminés en moyenne Le brin b n'est pas stable par lui-même. Il a besoin de former des liaisons hydrogène avec d'autres brins b. Deux topologies sont possibles: -feuillet parallèle -feuillet anti parallèle

Feuillets b parallèles et anti parallèles Longue boucle ou hélice Dans les feuillets parallèles les brins ne peuvent pas être consécutifs C feuillets b anti parallèles feuillets b parallèle Un feuillet peut être mixte. L'ordre des brins ne suit pas forcement l'ordre de la séquence N

Stabilité des feuillets b Le brin b n'est pas stable par lui-même. Il a besoin de former des liaisons hydrogène avec d'autres brins b Les groupements -NH et -CO d'un résidu i d'un brin A forment des liaisons hydrogènes avec les groupements -CO et -NH d'un résidu j d'un brin b. On peut noter que le -NH et -CO pointent alternativement d'un coté et de l'autre du brin parallèle anti parallèle Avec une meilleure géométrie pour les liaisons hydrogène, les feuillets anti parallèles sont plus stables

Organisation du brin et des chaines latérales Les feuillets β ne sont pas plans, ils présentent un plissement sur leur surface, avec des plis alternativement orientés vers le haut et vers le bas Les chaines latérales s'orientent alternativement au dessus et en dessous du plan du feuillets. (encombrement minimal) Les feuillets sont très utiles pour créer des interfaces (hydrophobe-hydrophobe, polaire-hydrophobe)

Le feuillet b peut être plan. Les twists Le feuillet b peut être plan. Mais généralement, il tendance à adopter une structure "twisté" thioredoxine humaine Le twist est plus marqué dans les feuillets anti parallèles et les feuillets à 2 brins

Les feuillet b - structure étendue -a besoin de plusieurs brin b pour être stable - 2 topologie (parallèle et anti parallèle), - le feuillet b anti-parallèle est plus stable. - Les feuillet b parallèle a besoin de longue boucle pour passer d'un brin à l'autre - Les chaine latérales sont alternativement au dessus et en dessous du feuillet

Les turns et les loop

Les boucles On peut relier les différentes structures secondaire par des boucles. Ces boucles sont longueurs variable (4-12 résidus) et ne sont pas structuré. Les boucle peuvent avoir un rôle catalytique, de reconnaissance moléculaire. Elles sont la plupart du temps en surface de la protéine et sont constitué d'acide aminé polaires En général, les laissons C=O et N-H de la chaines principales ne forment de liaisons hydrogène entre elle mais plutôt avec les molécule d'eau.

Les calcium de la parvalbumin sont fixé par des boucles EF hand motif (calmoduline, tromponine) l'antigène (vert) est reconnu par des boucles variables (rouge) en bout des domaines variables des immunoglobuline

Structure (ab)8. Le site actif (2 métaux) du cote N-term est maintenu par l'architecture de la protéine. Le substrat est maintenu par les boucles. La protéine peut facilement évolué pour d'adapter à de nouveau substrats Structure "hélice de bateaux" Le substrat est aussi maintenu par des boucles

Les boucles sont des régions "privilégiées" de mutation, d'insertions ou de délétions entre séquences homologues. Par ailleurs, beaucoup d'introns au niveau des gènes correspondent à des boucles. Les mutations dans les boucles ont beaucoup moins d'effet sur la stabilité de la protéine Elles ont un rôle très important dans l'évolution pour créer de nouvelles fonctions autour d'une même architecture.

Si le feuillet est parallèle Connexion des brins Si le feuillet est parallèle Structure a/b La connexion est longue. Soit boucle, soit hélice Si le feuillet est anti parallèle La connexion est appelé hairpin Si la connexion est très courte 3-4 acide aminé, On l'appelle coude (turn)

g turn b turn Il y a 2 types de turn Le groupe C=O du résidu i fait un liaison hydrogène avec le groupe N-H du residu I+2. La boucle à un longueur de 3 résidus b turn Le groupe C=O du résidu i fait un liaison hydrogène avec le groupe N-H du residu I+3. La boucle à un longueur de 4 résidus. Il existe plusieurs types de b turn (type I, II, III). on les discrimine en fonction de des angles f,y des résidus I+1 et I+2 Pour pouvoir tourner court, le résidu I+1 est une proline, le résidu i+3, une glycine (b turn I et II)

Fréquence des résidus dans les structures secondaires :