Biochimie Cours 2 Structure des proteines relu par les RC 1 PDF

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Biochimie Cours 2 Structure des proteines relu par les RC 1...

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TUTORAT SANTÉ PARIS-SACLAY

18/09/2020

CARNETS DU TUTO BIOCHIMIE Biochimie structurale : la structure des protéines

Ce document est réalisé sous l’entière responsabilité du Tutorat Santé Paris -Saclay avec l’aval des professeurs de l’université. Il ne constitue en aucun cas une référence opposable aux examens officiels.

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Table des matières I - Quatre niveaux d’architecture des protéines ........................................................................................... 3 1. Généralités ......................................................................................................................................................... 3 2. Liaison peptidique........................................................................................................................................... 4 3. Diagramme de Ramachandran .................................................................................................................. 5 4. Les 4 niveaux architecturaux des protéines........................................................................................... 6 4.1. La structure primaire ............................................................................................................... 7 4.2. La structure secondaire .......................................................................................................... 7 4.3. La structure tertiaire .............................................................................................................. 12 4.4. La structure quaternaire ....................................................................................................... 15

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I - Quatre niveaux d’architecture des protéines 1.Généralités Les protides regroupent différentes molécules classées selon le nombre d’acides aminés (ou résidus d’acides aminés) qui les constituent : -

Peptides ou oligopeptides : 100 acides aminés

Une protéine correspond à une succession de résidus d’acides aminés. On parle de résidus car la formation de la liaison peptique entraîne le départ d’une molécule d’eau : l’acide aminé n’est donc plus complet, c’est un résidu. Le peptide suivant comporte 4 acides aminés (ou résidus, ça revient au même) et la liaison peptidique est encadrée en violet. Elle se forme entre la fonction α-carboxylique (COOH) d’un acide aminé et la fonction α-aminé (NH2) de l’acide aminé suivant.

La chaîne latérale R permet de donner sa spécificité à la protéine. Toutes les protéines ont le même squelette carboné (le prof le décrit comme une ficelle de laquelle partent les chaînes latérales avec un enchainement varié). La protéine a un sens : elle se lit de l’extrémité N-ter (à gauche) vers l’extrémité C-ter (à droite). En N- ter on a le 1er acide aminé avec la fonction α-aminé libre et à l’extrémité C-ter on a le dernier acide aminé avec la fonction α-carboxylique qui est libre. Il existe 3 catégories de protéines sur le plan biochimique : -

-

Protéines globulaires = sphéroprotéines (elles se replient à la façon d’une pelote de laine). Elles sont solubles en milieu aqueux, libres, circulantes et possèdent des fonctions variées (albumine, hémoglobine, anticorps…). Protéines fibreuses = scléroprotéines. Elles sont très peu solubles et on les retrouve souvent dans les tissus de soutient tels que le collagène ou la kératine. Elles sont surtout constituées d’acides aminés hydrophobes.

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Protéines membranaires. Elles possèdent un domaine enchâssé dans une membrane biologique lipidique et de part et d’autre on trouve les domaines intra et extra cellulaires qui peuvent lier un ligand et entraîner une cascade de réaction.

2.Liaison peptidique La liaison peptidique est une liaison covalente qui lie deux acides aminés entre eux par une réaction de condensation, entraînant la libération d’une molécule d’eau. La formation de la liaison est thermodynamiquement défavorable, c’est-à-dire qu’elle ne s’effectue pas de manière spontanée, elle nécessite un apport en énergie. Cette liaison est formée au cours du mécanisme de traduction. La liaison peptidique est une liaison amide particulière à caractère de double liaison et elle confère un pic d’absorption de la lumière dans les UV à 210 nm. Dans la coutume on représente cette liaison avec 3 formes différentes : 1 forme hybride et 2 formes extrêmes (le prof n’a pas détaillé cette partie, elle est surtout donnée à titre indicatif) De part ces caractéristiques, la liaison peptidique possède 3 propriétés essentielles : -

Plane : il y a 6 atomes dans chaque plan qui sont les atomes C, O, N, H de la liaison peptidique et les 2 atomes Cα voisins. Rigide : il n’y a pas de liberté rotationnelle autour de la liaison C-N Polaire

En règle générale, la liaison peptidique est en configuration trans c’est-à-dire que le O lié au carbone engagé dans liaison peptidique est du côté opposé au H porté par Le N de cette même liaison (comme le montre le schéma suivant).

L’angle de rotation oméga Ω entre C et N prend donc généralement une valeur égale à 180°. -

Ω = 180°, O et H sont de part et d’autre en position trans. C’est la conformation majoritaire.

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Ω = 0°, O et H sont du même côté en position Cis. C’est un cas rare qui peut toutefois avoir un intérêt dans les coudes β pour le changement de direction du squelette. Exception : 10% les liaisons X-Pro (entre un acide aminé quelconque et une proline) sont en configuration Cis.

3.Diagramme de Ramachandran On trouve de part et d’autre de la liaison peptidique des liaisons qui possèdent une liberté rotationnelle autour d’angles dièdres, ce qui permet le repliement des protéines : -

Psi ψ : angle entre le Cα et le carbonyle CO.

-

Phi φ : angle entre le Cα et le N amidique.

Bien que, en théorie, les valeurs des angles phi et psi varient entre -180° et +180° ils ne peuvent, en réalité, pas prendre n’importe quelles valeurs. En effet, ils ne pourront prendre que certaines valeurs selon leur encombrement stérique. Toutes les positions ne sont donc pas possibles. Les liaisons peptidiques entre l’acide aminé n-1 et n et celle entre l’acide aminé n et n+1 forment deux plans figés qui vont pouvoir tourner l’un par rapport à l’autre grâce aux angles phi et psi.

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Diagramme de Ramachandran :

4. Les 4 niveaux architecturaux des protéines C'est la structure qui gouverne la fonction de la protéine.

« Si vous ne comprenez pas la fonction, étudiez la structure »Francis Crick Il y a donc 4 niveaux de structure : 1. 2. 3. 4.

La structure primaire La structure secondaire La structure tertiaire La structure quaternaire (pas le cas de toutes les protéines)

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4.1. La structure primaire Cette structure correspond à l'enchaînement des AA liés entre eux par des liaisons peptidiques. Elle correspond uniquement à la séquence en AA. Le professeur compare la structure primaire à un mot, avec un début correspondant à l'extrémité libre N-ter du premier AA, et une fin correspondant à l'extrémité libre C-ter du dernier AA : ce sens correspondra toujours au sens de lecture d'une séquence. Naturellement, chaque AA a sa place dans la séquence, et une erreur dans cette dernière peut avoir des conséquences sur les autres niveaux de structure. Attention : on ne parle jamais de séquence primaire ! On emploie le terme de structure primaire ou alors de séquence.

4.2.La structure secondaire Cette structure correspond à des repliements locaux de la structure primaire qui vont donner ce qu'on appelle des « motifs ». On retrouvera des motifs dits récurrents comme les hélices α ou encore les brins β.

4.2.1. Les structures périodiques 4.2.1.1. L’hélice α (alpha) : Ces hélices α sont retrouvées dans beaucoup de protéines. Elles ont, comme leur nom l'indique, une forme d'hélice. Visuellement, on pourrait les comparer à un ressort que l'on retrouve dans les stylos, par exemple. Elles correspondent à des angles phi et psi situés dans le quadrant inférieur gauche du diagramme de Ramachandran (cf. Page 6) donc pour des valeurs de phi et psi négatives.

Pour les résidus d'AA de la série L, ces hélices alpha sont des hélices dites droites avec des angles phi et psi négatifs (environ -60°) Pour différencier les hélices droites des hélices gauches, on utilise la technique des pouces :

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Pour l'hélice droite, on utilise sa main droite, le pouce correspondant à l'axe de l'hélice. Les autres doigts viennent tourner autour du pouce, c'est-à-dire, autour de l'axe de l'hélice. Pour l'hélice gauche, c'est le même principe mais avec la main gauche ! On peut aussi se dire que l'hélice droite tourne dans les sens inverse des aiguilles d'une montre contrairement à l'hélice gauche.

L'hélice alpha possède quelques caractéristiques qu'il faut absolument retenir : Translation (distance entre deux AA)

1,5 Å

Rotation entre 2 AA

100°

Nombre résidus d'AA par tour

3,6

Pas (translation x nombre d'AA par tour)

5,4 Å

Liaison hydrogène intra-chaîne

AA(n) avec AA(n+4)

Angles psi et phi

-60°

Diamètre de l'hélice

5Å

• • •

C’est une structure périodique et compacte C’est la structure secondaire la plus stable Les chaînes latérales des résidus d’AA sont orientées vers l’extérieur

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Pour un peu illustrer toutes ces nouvelles notions :

Certains AA peuvent être favorables ou défavorables à la structure de l'hélice. Les résidus d’AA la déstabilisant : • • •

V, I, T (à cause de l’encombrement stérique) Enchaînement de D, E ou R, K (car ils exercent des forces de répulsions) P (car elle ne peut pas faire de liaisons hydrogènes) Les résidus d’AA la stabilisant :

•

L, F, W Moyen mnémotechnique : ● - AA favorables William Le Filou ● - AA défavorables : DEReK Part VITe

On peut organiser une nomenclature des hélices avec n,m avec n le nombre de résidus d’acides aminés présents dans un tour d’hélice et m le nombre d’atomes pris dans la boucle fermée par la liaison hydrogène (sans compter les chaine R). Pour l’hélice alpha on trouve bien 3,6 résidus et 13 atomes. On a donc notre hélice alpha : 3,613. Il existe d’autres hélices qui diffèrent entre elles par leur compacité et leur sens d’enroulement.

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4.2.1.2. Les autres hélices : -310 : hélice de jonction -4,416 : hélice π -Hélice gauche formée par une succession de prolines et glycines. En fonction de leurs caractéristiques, elles seront plus ou moins allongées et longues.

4.2.1.3. Brins et feuillets plissés β • • • •

C’est une structure très étirée (translation maximale de 3,5 Å) Les chaînes latérales R se situent de part et d’autre de l’axe du brin Ils ne sont généralement pas isolés, mais le plus souvent associés de 2 à 12 brins car sinon ils ne sont pas stables. Ils sont stabilisés par des liaisons hydrogènes inter-brins

On retrouve deux types de feuillets β formés par des brins β : les feuillets β parallèles et les feuillets β antiparallèles.

Les deux brins vont dans les mêmes directions et ils établissent 2 liaisons hydrogènes. On a donc le brin β1 qui réalise une première liaison hydrogène avec l’AA(n-1) du brin β2 puis une deuxième liaison hydrogène avec l’AA(n+1). Néanmoins, ces liaisons hydrogènes ne sont pas optimales.

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Ici, les deux brins vont dans des sens opposés et ils établissent deux liaisons hydrogènes parallèles. On a donc le brin β1 qui établit deux liaisons hydrogènes avec l’AA(n) du brin β2. Ces liaisons hydrogènes sont bien plus optimales, donc bien plus fortes que celles pour les feuillets β parallèles qui partaient dans deux sens différents. Ainsi, les feuillets β anti-parallèles sont bien plus stables que les feuillets β parallèles.

4.2.2. Les structures non périodiques

4.2.2.1. Coude β : Ils correspondent à des changements de directions à 180°. Ils sont composés de 4 acides aminés dont souvent une proline et parfois des glycines. Les AA qui les composent forment une liaison hydrogène entre l’AA n et l’AA n+3 (le 1er et le 4ème AA). Ils sont souvent impliqués dans la jonction entre deux brins β anti-parallèles ou un brin β et une hélice α.

4.2.2.2. Boucle « Random coil » : Structure en boucle constituée d’une vingtaine d’acides aminés souvent exposés à la surface des protéines globuleuse et en contact avec l’eau pour réaliser des liaisons hydrogènes.

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4.2.3. Les structures super-secondaires

On a par exemple la GFP qui est une protéine fluorescente utilisée en biologie cellulaire pour mettre en évidence des procédés. Elle possède des feuillets β organisés en tonneaux β.

4.3. La structure tertiaire Elle correspond à la forme native et fonctionnelle de la protéine et caractérise les protéines globulaires. Cette structure tertiaire correspond à la protéine qui s’est repliée dans l’espace, elle peut être maintenue dans cette conformation grâce à des liaisons faibles entre des résidus d’AA qui sont en structure primaire éloignés dans la séquence.

(Le professeur illustre la structure tertiaire comme une feuille de papier qu’il met en boule). On retrouvera plutôt à l’extérieur les résidus polaires qui vont interagir avec l’eau et à l’intérieur plutôt des AA hydrophobes pour qu’ils puissent être à l’abri de l’eau. On retrouve les 4 types d’interactions faibles pour le maintien de la structure tertiaire : • • • •

Les forces de Van der Walls Les liaisons hydrogènes (via les radicaux polaires) Les liaisons ioniques (via les radicaux chargés) Les interactions hydrophobes (via les radicaux non chargés)

On y trouve aussi des ponts disulfures, qui sont des liaisons covalentes, et qui se forment entre les groupements S de deux cystéines. Toujours dans le même principe de la

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structure tertiaire, ces deux cystéines sont distantes dans la séquence et se retrouvent rapprochées lors du repliement de la protéine, pouvant donc ainsi former un pont disulfure.

La structure tertiaire est différente d’une protéine à l’autre. En fait, c’est la séquence en acides aminés (donc la structure primaire, la conformation native) qui va dicter le reploiement dans l’espace de la protéine, donc sa structure tertiaire. Cette structure tertiaire est très importante puisque c’est elle qui porte l’activité biologique. Exemple de protéines globuleuses à structure tertiaire : -la ribonucléase A est une enzyme pancréatique qui contient 70% de brins β, 30 % d’hélices α et 4 ponts disulfures. -la myoglobine a un rôle de stockage de l’O2 dans les tissus (muscles), elle est riche en hélices α et ne possède aucun pont disulfure.

4.3.1. La dénaturation des protéines Les protéines peuvent être dénaturées, de façon réversible mais aussi de façon irréversible par des agents que l’on appelle des agents dénaturants. La dénaturation correspond à la perte des structures tertiaire et secondaire (quaternaire si la protéine en possède une) en rompant les liaisons faibles qui maintiennent en place les niveaux de structure. -La dénaturation réversible signifie que l’on peut retrouver la structure de la protéine lorsque l’agent dénaturant est retiré. •

Exemple d’agent dénaturant réversible : Urée

-La dénaturation irréversible signifie que même si l’agent dénaturant est retiré, la protéine ne sera pas capable de retrouver ses structures secondaire et tertiaire (quaternaire s’il y a eu lieu). Elle perdra donc définitivement son activité biologique. •

Exemple d’agent dénaturant irréversible : Chaleur

On retrouve aussi des agents dénaturants qui permettent la rupture d’un type de liaison covalente : les ponts disulfures. Cet agent dénaturant s’appelle le β-mercaptoéthanol.

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4.3.2.L’expérience d’Anfisen Étape 1 : on met la ribonucléase A en présence d’urée et de β-mercaptoéthanol. Résultat : L’urée rompt les liaisons faibles entre les hélices et les feuillets tandis que le β-mercaptoéthanol rompt les 4 ponts S-S => perte des structures II et III et donc de l’activité biologique. Étape 2 : on enlève l’urée et le β-mercaptoéthanol Résultats : Les liaisons se reforment, la ribonucléase A se replie spontanément et la protéine retrouve son activité biologique. Conclusion : Toute l’information nécessaire au repliement d’une protéine est contenue dans la structure I, la séquence en AA conditionne les structures II et III. De plus, il faut savoir que la conformation native est la structure thermodynamiquement la plus stable, c’est-à-dire, celle dont l’entropie est la plus faible et que la protéine se replie spontanément dans la structure la plus stable. Cela signifie que toute l’information sur le repliement de la protéine est contenue dans sa séquence.

4.3.3. La protéine prion PrPc Cette protéine est retrouvée à la surface des neurones et est très riche en hélices α. Elle est sensible aux agents dénaturants sous sa forme normale. La protéine PrPsc (scrapie) est la forme anormale de la protéine à prions : parfois, pour des raisons mal comprises, la protéine peut acquérir une structure secondaire riche en feuillets β, substituant les hélices α, ce qui a pour conséquence l’obtention d’une structure tertiaire anormale. Ce qui est étrange, et qui constitue ainsi l’exception de notre théorie de la séquence induisant les structures secondaire et tertiaire, est que justement, la structure primaire de PrPsc est normale, identique à celle de PrPc. Cette structure secondaire confère à PrPsc un pouvoir pathogène. Elle ne possède plus l’activité biologique de PrPc car elle n’est plus sous sa conformation native, mais elle est capable en revanche d’induire une conformation anormale sur une protéine PrPc normale (conformation induite) et de la transformer en PrPsc : cette protéine a un caractère infectieux. De plus, les feuillets β la stabilisent et cette protéine devient résistante aux agents dénaturants (insensible à l’urée), et insensible aux protéases (résistance à la dégradation). Lorsqu’elle prend cette conformation PrPsc, elle forme des agrégats de PrPsc s’emboîtant les unes dans les autres et formant des dépôts amyloïdes, engendrant des pathologies : les encéphalopathies spongiformes transmissibles (processus infectieux, 14

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dégénératifs, sporadiques, familiaux et/ou hérités ayant en commun le dépôt anormal de protéines (amyloïde) : ● Maladie de la vache folle ● Scrapie (tremblante) du mouton ● Creutzfeld-Jacob chez l’Humain ● Insomnie Familiale Fatale chez l’Humain.

4.4.La structure quaternaire Cette structure résulte de l’assemblage et de l’organisation spatiale de plusieurs chaînes polypeptidiques. 1 protéine + 1 protéine qui s’associent forment ainsi un dimère de protéines (car 2 sous-unités). S’il y avait 3 protéines par exemple, on parlerait de trimère (3 SU). -On a aussi la notion de protomère. L...