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

L'étude des protéines est à la fois utile Les protéines peuvent avoir plusieurs fonctions -Catalytique (enzyme) -Reconnaissance moléculaire (anticorps) -Transport (hémoglobine) -Structurale (collagène) En raison de leur implication dans le vivant, leur étude est importante en médecine (médicament). Par leurs activités: reconnaissance moléculaire, enzyme, nanotechnologie … Elles ont de très nombreux intérêt en biotechnologie. De plus par leurs structures, elles livrent des informations cruciales sur l'évolution du monde vivant (relation bruité au niveau de la séquence) et sur les mécanismes du vivant L'étude des protéines est à la fois utile en recherche appliquée et en recherche fondamentale

La structure des protéines se décompose en 4 parties La structure primaire. La structure primaire est la séquence en acide aminé. Elle est codée par le génome. La structure secondaire La chaine polypeptidique adopte des repliements préférentiels. Hélice ou feuillet. La structure tertiaire La chaine polypeptidique se replie en domaines plus ou moins globulaires La structure quaternaire Plusieurs chaines polypeptidiques (différentes ou non) s'associent. Oligomères, homo-oligomère Parfois, il faut aussi l'ajout d'autres groupes prosthétiques. (Cofacteurs, métaux,…). Pour garder l'intégrité de la fonction, il faut que le repliement soit correct.

La structure primaire

La chaîne peptidique: Une protéine est un hétéro-polymère linéaire d’acides aminés. Cette chaine est codée par le génome Séquence du gène Séquence de la protéine en acide aminé (chaîne peptidique) La plupart des séquences des protéines sont connues (génomique systématique)

Formule général d’un L-acide aminé: R = Chaîne latérale, dépend de l'acide aminé Groupe carboxylique Groupe amine L'atome Ca est chiral (sauf la glycine)

Dans la nature on rencontre les acides aminés L. (ceci explique la stéreoselectivité) COO- COO- NH3+ C H NH3+ H R R Représentation de Fischer d'un L acide aminé (N à gauche)

Dans la chimie on utilise généralement la nomenclature R/S (Cahn-Ingold-Prelog) : Ordre de priorité en fonction du numéro atomique dans le système périodique des éléments : NH2 > CS>COOH > CH3 > H Il n'y pas de relation entre les 2 nomenclatures (Ex L (S) serine et L (R) cystéine)

La liaison peptidique Formation de la liaison peptidique : La réaction est une condensation La condensation des acides aminés (groupe carboxylique et amine) forme un polymère. Ce polymère commence par un groupe ammonium et se termine par un groupe carboxylique

La géométrie de la liaison peptidique : La liaison peptidique peut être décrite par deux formes isomères de résonance. Elle a donc un caractère de double liaison partielle et elle a une géométrie plate. Plan peptidique Chaque plan contient les atomes C=0 du résidu n et les atome N,H, Ca du résidu n+1

Les angles  et  dans la chaîne peptidique 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 -l'angle de rotation autour de la liaison Ca-N déterminé par f La structure du squelette de la protéine (Ca) est déterminé par ses 2 angles pour chaque acide aminé

Configuration cis et trans Deux configurations sont possibles : cis et trans (sauf glycine). Trans est plus favorable sur le plan énergétique. Mais 10 % des prolines dans les protéines sont en configuration cis. Des serines et d’autres aa dans des sites de caractère dynamique se trouvent parfois dans la configuration cis pour “précharger” l’enzyme avec de l’énergie pour la catalyse. W=0° W=180° On peut discriminer la conformation cis et trans en regardant l'angle de rotation W autour de la liaison C-N Cette angle doit être proche de 180° ou de 0° (plan peptidique)

La chaîne peptidique n’est pas très réactive La chaîne peptidique n’est pas très réactive. Au pH ou elle pourrait être protonée ou déprotonée, elle est généralement hydrolysée. La durée de vie d’une liaison peptidique est ~7 ans dans l’eau(pH neutre, 25°C ). Néanmoins, la liaison peptidique a un moment dipolaire de 3.5 Debye. Ce qui est important pour stabiliser la structure d'une protéine et de pouvoir fixer/discriminer certains substrats

Les 20 acides aminés Dans certaines protéines on trouve aussi d’autres acides aminés, dont certains générés post-traductionellement.

Chaque acide aminé a ses propres propriétés -stérique (forme) -chimique (différent type d'atome) -électrostatique -pKa -accepteur/donneur de liaison H -polaire/hydrophobe La combinaison de ce jeux à 20 lettres permet d'obtenir la diversité et la subtilité des fonctions des protéines.

Acide aminés aliphatiques

Glycine (Gly, G) C'est le seul acide aminé non chiral C’est l’acide aminé le moins encombrant. Acide aminé avec la plus grande flexibilité conformationelle. (aucune restriction dans  ou ) Très important dans les boucles. Par conséquent, il est très conservé lors de l'évolution. Déprotonation peu probable. Ni polaire, ni hydrophobe

Alanine (Ala, A) Possède un groupe méthyle Pas réactif. Petit acide aminé hydrophobe Situé dans le cœur hydrophobe des protéine Ou au niveau d'interface hydrophobe

Valine (Val,V) Possède un groupe isopropyle (chaine aliphatique) Pas réactif. acide aminé hydrophobe Situé dans le cœur hydrophobe des protéine Ou au niveau d'interface hydrophobe

Leucine (Leu, L) Possède un groupe isobutyle (chaine aliphatique) Même masse moléculaire que isoleucine Pas réactif. acide aminé hydrophobe Situé dans le cœur hydrophobe des protéine Ou au niveau d'interface hydrophobe

Isoleucine (Ile, I) Possède un groupe butyle (chaine aliphatique) Même masse moléculaire que leucine Pas réactif. acide aminé hydrophobe Situé dans le cœur hydrophobe des protéine Ou au niveau d'interface hydrophobe

Acides aminés aromatiques

Phénylalanine (Phe, F) Possède un groupe phényle (aromatique) Pas réactif. acide aminé hydrophobe volumineux Situé dans le cœur hydrophobe des protéine Ou au niveau d'interface hydrophobe. Capable de faire des stacking grâce aux liaison p Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (260 nm), faible

Tyrosine (Tyr, Y) Possède un groupe phénol (aromatique) Peut faire des liaisons hydrogène grâce à son groupe alcool moins hydrophobe que la phénylalanine (intérieur ou extérieur des protéine) Peut se déprotoner (pKa=11.1, mauvais acide) Tyr peut être phosphorylée (régulation) Capable de faire des stacking grâce aux liaisons p Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (280 nm), faible

Tryptophane (Trp, W) Possède un groupe indole (aromatique) A cause de la délocalisation du doublet, l'azote ne peut plus accepter de proton (base) Peut faire des liaisons hydrogène grâce à l'azote du groupe indole Néanmoins, c'est un résidu hydrophobe Se trouve principalement à l'intérieur des protéines Capable de faire des stacking grâce aux liaisons p Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (280 nm), majoritaire Résidu fluorescent Cette fluorescence dépend du milieu: très utile pour suivre le repliement ou les changements de conformations des protéines, ou mesurer le Kd d’un substrat

acides aminés carboxyliques et leurs amides

Aspartique (Asp,D) Possède un groupe acide carboxylique. Résidu acide pKa =3.9 (C'est le plus acide des acides aminés) Peut faire des liaisons ioniques et hydrogène (accepteur et donneur) Soluble Souvent impliqués dans la fixation des métaux durs (Ca2+, Mg2+, Mn2+). résidu catalytique dans des hydrolases, protéases …

Asparagine (Asn, N) Possède un groupe amide. Résidu non protonable car le doublet de l'azote est délocalisé Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur) Soluble Peut fixer des ions Site de N-glycosylation peut se désamider à pH basique ou température élevée

Glutamique (Glu, E) Possède un groupe carboxylique. Résidu acide pKa =4.3 Peut faire des liaisons ioniques et hydrogène (accepteur et donneur) Soluble Souvent impliqués dans la fixation des métaux durs (Ca2+, Mg2+, Mn2+). résidu catalytique dans des hydrolases, protéases …

Glutamine (Gln, Q) Possède un groupe amide. Résidu non protonable car le doublet de l'azote est délocalisé Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur) Soluble Peut fixer des ions peut se désamider à pH basique et/ou température élevée

Les acides aminés basiques

Lysine (Lys, K) Longue chaine aliphatique terminée par une amine pKa=10.5. (chargé positivement à pH physiologique) Liaisons ioniques et hydrogène (donneur) Résidu soluble bien que la chaine aliphatique soit hydrophobe (attention à la conformation) Nombreuses modifications postraductionnelle possibes (hydroxylation, glycosylation, acétylation, metylation,…) Rôle de base dans les catalyses

Arginine (Arg, R) Longue chaine aliphatique terminé par un groupe guanidinium C'est le plus long des acides aminés pKa=12.5. la charge est stabilisé par la résonance des 3 azotes Cette résonance entraine la planarité du groupe guanidinium chargé positivement à pH physiologique Liaisons ioniques et hydrogène (donneur) Résidu soluble bien que la chaine aliphatique soit hydrophobe (attention à la conformation) Peut fixer des anions (Cl-), peut faire des interaction p(stacking) Rôle de base dans les catalyse (moins efficace que la lysine)

Histidine (His, H) Position préférentielle (D pKa) Groupe imidazole. Soluble pKa= 6.5 (existe facilement sous la forme ionisée on non à pH physiologique). A cause de la chaine principale, les différents tautomères ne sont pas équivalents. Peut donner et accepter des liaisons hydrogène N (non ionisé) est un nucléophile N (ionisé) est un électrophile. Résidu très important dans les mécanismes catalytiques Rencontré dans les triades catalytiques (accepte le proton d'une serine) Coordonne efficacement les métaux, (ex colonne à Ni)

acides aminés à fonction alcool

Serine (Ser, S) Possède un groupe hydroxyle Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur) Soluble sites de glycosylation chez les eucaryotes (O-glycosylation) Peut être phosphorilée Non ionisable sans assistance (pKa=13) résidus catalytiques (triade catalytique) Impliqué dans de nombreuses protéases (chymotrypsine, trypsine) et estérase (acétylcholinestérase)

Thréonine (Thr, T) Possède un groupe hydroxyle et un groupe méthyle (ressemble à la valine) Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur) Soluble sites de glycosylation chez les eucaryotes (O-glycosylation) Peut être phosphorilé Non ionisable sans assistance (pKa=13)

acides aminés soufrés

Cystéine (Cys, C) Possède un groupe thiol Peut faire des liaisons hydrogène (donneur et accepteur ) Soluble Facilement ionisable (pKa=8.3) Résidu très important dans les mécanismes catalytiques Fixe facilement les métaux Fe, Zn, Cu… (Hg) Résidus fragile qui s'oxyde facilement en milieu aérobie (acide sulfenique R-S-OH, sulfinique et sulfonique) le sélénium peut remplacer le soufre. C'est autre acide aminé, la sélénocystéine

L'oxydation de 2 cystéines proches dans l’espace forme un pont disulfure (liaison covalente). Le pont disulfure est hydrophobe Ne se forme pas dans un milieu réducteur (cytosol) Peut être catalysé par la protéine disulfide isomérase Peut servir à se protéger contre un stress oxydatif, de capteur de d'oxydation. La possibilité de faire une liaison covalente inter ou intra moléculaire augmente la stabilité de la molécule(protéine sécrétées, toxine)

Méthionine (Met, M) Possède un groupe thioester Long acide aminé hydrophobe Résidu fragile sensible à l'oxydation par l'air formation de sulfoxyde et ensuite de sulfone:

Acide Aminé cyclique

Proline (Pro,P) Possède un groupe Imine cyclique (et non une amine secondaire) L'azote garde son doublet. La liaison peptidique reste plane Ne peut faire de liaison hydrogène Hydrophobe Résidu rigide qui impose une certaine géométrie à la chaine principale. Ne peut stabiliser les structures secondaires (liaison N-H absente). Ce résidu sert à briser les hélices et à déformer les feuillets 90% des prolines sont en position trans

Les plus abondants: Leu, Ala, Gly (cœur hydrophobe et flexibilité) + Glu, Ser Les plus rares Cys, Met (souffre), His, Trp (synthèse couteuse)

Résumé

Résidu acide ou basique chargé positivement N-term, Lys, Arg Chargé négativement C-term, Asp, Glu L'histidine et la cystéine sont les acides aminés dont les pKa sont les plus proches du pH physiologique. Attention la serine n'est pas déprotonable sans assistance

Les plus hydrophobes: Ile, Leu, Val, Ala, Cys, Met, Phe Les plus polaires : Arg, Lys, Asp, Asn, Glu, Gln, His Protscale expasy

Il faut avoir la structure 3D pour comprendre le rôle du résidu La notion d'hydrophobicité est plus compliquée car certains résidus sont à la fois hydrophobes et polaires. Ex Lys (chaine aliphatique+ amine), Thr (groupe méthyle + alcool), Tyr (groupe phényle+ alcool). Il faut avoir la structure 3D pour comprendre le rôle du résidu De plus, la solubilité change en fonction de l'état d'ionisation. Ex Cyst (S-H, S-) La solubilité change aussi en fonction de l'état des cystéine . (le pont disulfure est beaucoup moins soluble que la cystéine libre)

Les plus enfouies: cyst (oxydation), Ile, Leu, Val, Trp, Phe, Met, Ala (cœur hydrophobe) Les résidus en surface: Arg, Lys (Charge), Glu, Asp, Gln, Asn. La tyrosine est plutôt en surface

Propension de réactivité pour chaque acide aminé Les acides aminés les plus réactifs sont : His, Cys (Pka ~7), Asp (court et chargé) Les moins réactifs: hydrophobes aliphatiques (I, L, V, A)

Les différents fonctions des acides aminés Les fonction les plus répandus: donneur et accepteur de liaisons hydrogène. Stabilation électrostatique (état intermédiaire). La nature préfère les attaques nucléophiles.

Deamidation glycosylation