Fiche 2 - Acides aminés, protéines PDF

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TUTORAT PASS 2020/2021 UNIVERSITÉ DE PARIS

UE2 : BIOCHIMIE FICHE 2 ACIDES AMINES, STRUCTURES SECONDAIRES, TERTIAIRES ET QUATERNAIRES DES PROTEINES Il s’agit d’une fiche rcapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les supports qui vous sont donns en cours et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Il est absolument ncessaire d’avoir compris ces notions avant tout apprentissage «par cœur» qui se rvlerait absolument improductif. Le meilleur moyen de russir reste la comprhension, un apprentissage consciencieux des diapositives et un entrainement rgulier (nous vous conseillons de vous rendre rgulirement aux examens blancs du tutorat)

ASSOCIATION POUR L'ACCÈS SANTÉ UNIVERSITÉ DE PARIS A2SUP Bureau T203 – 45 rue des Saints-Pères, 75006 Paris Bureau TP15 – 4 avenue de l’Observatoire, 75006 Paris https://www.a2sup.fr/

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SOMMAIRE : 1. Les acides aminés 1.1. Définition - structure 1.2. Propriétés physico-chimiques 1.3. Classification 1.4. Réactivité chimique 2. Les protéines 2.1. Nomenclature des peptides et liaison peptidique 2.2. Propriétés physico-chimiques 2.3. Processus de protéolyse limitée des précurseurs 3. Structures tridimensionnelles 3.1. Structure secondaire 3.2. Structure supra-secondaire 3.3. Structure tertiaire 3.4. Structure quaternaire

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1. Définition-structure

1. Les acides aminés

Les protéines sont des polymères d’acides amins (AA). Les acides amins sont des monomères (= molécules non hydrolysables) possédant un motif structural commun :

Motif structural commun des acides aminés (AA)     

Un carbone α asymtrique en position centrale (sauf chez la glycine dont la chaîne latérale est un hydrogène) Un groupe carboxylique COOH Un groupe amine NH Un atome d’hydrogne H Une chaîne latérale R variable en fonction de l’AA 2

L-amino acid On considère que 22 acides aminés sont constitutifs des protéines, dont deux acides aminés rares :  la sélénocystéine, dont chaîne latérale CH2-SeH contient un atome de sélénium. Grâce à cette particularité, on retrouve souvent la sélénocystéine dans protines impliques dans le redox. Il n’y a pas de codon correspondant à la slnocystine.  la pyrrolysine (présente uniquement chez certains procaryotes), qui n’a pas de codon correspondant et dont la chaîne latrale contient un cycle pyrrol. Les 20 autres acides aminés sont codés génétiquement. Mais d’autres acides amins sont prsents dans l’organisme où ils peuvent jouer un rôle biologique :  Neurotransmetteurs, mdiateurs de ractions allergiques, prcurseurs d’hormones (plus couramment appels amino-acides pour les différencier des acides aminés constitutifs des protéines) ...  Acides aminés du métabolisme intermédiaire ; ex : ornithine, citrulline  Acides aminés ayant subi des modifications chimiques ; ex : hydroxyproline Remarque : il existe une grande diversité d’acides aminés, mais seuls les 20 acides aminés constitutifs des protéines sont à connaître. Certains acides aminés sont dits « essentiels » car ils ne peuvent pas être synthtiss par l’organisme : valine, leucine, isoleucine, mthionine, phnylalanine, tryptophane, thronine, histidine, lysine, arginine. Ils doivent être apports par l’alimentation. D’autres sont dits « semi-essentiels » car essentiels seulement pendant une période de la vie (chez le nouveau-né).

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2. Propriétés physico-chimiques des acides aminés Propriétés communes à tous les acides aminés Le carbone α est asymtrique, c’est donc un centre chiral. Ainsi, les acides aminés sont des composés optiquement actifs, sauf la glycine (dont le carbone α n’est pas asymtrique) Il existe pour tous les AA une forme D et une forme L mais tous ceux entrant dans la composition des protéines sont de série L (série naturelle chez les eucaryotes) Remarque 1 : voici un moyen mnémotechnique pour connaître la série d’un acide aminé. En représentation de Fischer, tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ; si l’AA est de série L, on doit lire “CORN” (CO pour le COO-, R pour la chaîne latérale et N pour le NH2.

Chiralité

Remarque 2 : les notions d’énantiomères et diastéréoisomères sont revues en stéréochimie et doivent être maîtrisées.

Masse moléculaire moyenne Nomenclature des C

Environ 100-110 Da. On peut estimer la masse moléculaire d’une protéine en se basant sur le nombre d’AA qu’elle contient. Ils sont nomms à la suite du carbone central vers le radical : Cα, β, γ, ε…

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Rappels de chimie :  Le pka est le pH auquel on retrouve la moitié du composé sous forme protonée (acide) et la moitié du composé sous forme déprotonée (basique).  Un composé possédant à la fois une charge positive et une charge négative est appelé « zwitterion » pKa1 = pKa (COOH) ≈ 2 donc COOH est un acide faible. pKa2 = pKa (NH2) ≈ 9-10 donc NH2 est une base faible. Certains AAs possèdent également une fonction acide faible ou base faible sur leur chaîne latérale. Ils ont alors un pKaR (le pKa de la chaîne latérale) La charge d’un AA varie donc en fonction du pH. Au pH physiologique (7,4), COOH est sous forme anionique (COO-) et NH2 sous forme cationique (NH3+).

Caractéristiques acido-basiques

Le pH pour lequel la charge lectrique nette d’une molcule est nulle est appel « point isoélectrique » (pI). Le pH auquel l’AA est sous forme zwitterionique correspond donc au pI. Pour calculer le pI on emploi les formules suivantes :

AA à chaîne latérale non ionisable : pI = 12(pKa + pKa ) 1

2

AA à chaîne latérale ionisable :  AA acides : pI = 12(pKa2 + pKr)  AA basiques : pI = 12(pKa1 + pKr)  Histidine : pI = 12(pKa2 + pKr)

pH milieu>pI  AA chargé négativement pH milieu contribuent à la structure IIaire/IIIaire  Ponts inter-caténaires : entre 2 cystéines de 2 chaînes polypeptidiques distinctes => contribuent à la structure IVaire Rôle structural/architectural très important (car tout ce qui touche à la conformation d’une protine ou d’un complexe protique touche sa fonction) - rigidifient les protéines

Ponts disulfures

Phosphorylation (kinases) + déphosphorylation (phosphatases)

N-glycosylation



Phosphorylation : addition d’un groupe phosphate [PO3] : ajout de charges négatives (et donc retrait de ces charges négatives en cas de déphosphorylation) Rôle de régulation de l’activit des protines/enzymes.

CYSTEINE

TYROSINE

2-



Addition de chaînes glycanniques diverses (=sucres) : on obtient alors des glycoprotéines

SERINE THREONINE

ASPARAGINE

Note : il existe de nombreuses autres modifications chimiques, pouvant modifier la chaîne latérale : hydroxylation, désamination, alkylation, arylation (utilisé pour le squençage de Sanger) …

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2. Les protéines 1. Nomenclature des peptides et liaison peptidique Définitions : Les (poly)peptides et les protéines sont des polymères d’AA. On les distingue par leur taille : à partir d’une cinquantaine d’acide amins, on parle de protine. Ces molécules ont de nombreuses fonctions : catalyse enzymatique, transport, travail mcanique, signalisation cellulaire, reconnaissance, structure, rgulation… La comprhension de la fonction d’un peptide ou d’une protine passe en grande partie par celle de sa structure. Ainsi chaque protéine adopte une conformation (=structure 3D) prcise dterminant sa fonction, d’où la notion de relation structure-fonction. 

Cette conformation est unique à chaque protéine.



Une protéine avec une bonne conformation est dite native



Toute altration de la conformation d’une protine dnature la protine et mne gnralement à son inactivation !

Cette conformation n’est pas fige ! Exemple : vous verrez en enzymologie le modèle de l’ajustement induit : l’enzyme peut changer de conformation après fixation de son substrat.

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La liaison peptidique est une liaison de type amide entre le groupement COOH de l’AA N-ter et la fonction NH2 de l’AA C-ter, se formant par condensation (limination d’eau). La formation de la liaison peptidique ncessite de l’nergie.

Propriétés chimiques de la liaison La liaison peptidique n’est ni une liaison simple ni une liaison double. Il s’agit d’un hybride de résonnance entre deux formes extrêmes – un intermédiaire entre la liaison simple et double. Dans la première forme, l’azote de l’amine possède une paire d’électrons non partagés, il est donc fortement réactif. Cela peut conduire à la formation de la deuxième forme extrême. En réalité, les électrons se répartissent entre le O, le N et le C (orbitale pi). Par conséquent, la liaison possède des propriétés chimiques qui lui sont propres. La liaison peptidique prsente certaines caractristiques d’une double liaison, elle est :  Plane Les atomes Cα, C, le O du rsidu n et les atomes N, H et Cα du rsidu n+1 dfinissent un plan peptidique. Ainsi, il n’y a pas de libre rotation autour de l’axe C-N et les atomes cités sont dits coplanaires (dans le même plan que le Cα)  Rigide  Polaire Remarque : La distance C-N est plus courte que la distance C-C. La liaison peptidique est une liaison covalente extrêmement stable !

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Les angles entre les atomes sont une autre caractéristique de la liaison peptidique : Au sein d’une protine, les chaînes latrales R des diffrents AAs sont agences de part et d’autre des plans peptidiques. Selon la structure et l’encombrement strique des chaînes latrales, les plans peptidiques vont prendre des orientations spécifiques. Des rotations sont théoriquement possibles au niveau de 3 liaisons : 

C-Cα (angle ψ)



N-Cα (angle Φ)



C-N (angle Ω)

Etant donné le caractère de double liaison de la liaison C-N (mésomérie), la rotation autour de cette dernière (angle Ω) n’est pas possible. Une liaison double empêche toute rotation. Cependant, on observe deux conformations : Ω=0° (conformation cis) Ω=180° (conformation trans) La conformation trans est largement prépondérante pour des raisons de contraintes stériques ; les deux chaînes latérales ne sont pas dans le même plan (les deux « grands » groups ne sont pas « du même côté » de la liaison) Les angles Φ et ψ ne peuvent prendre qu’un nombre de valeurs limit pour chaque AA, en raison de l’encombrement strique. L’angle pris aura une incidence sur la structure secondaire.

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2. Propriétés physico-chimiques Les peptides possèdent plusieurs caractéristiques physico-chimiques :  Ce sont des molécules chargées avec un caractère amphotère (agissant à la fois comme un acide et comme une base)  Ils possèdent un pI  Ils absorbent dans l’UV (180-230nm ; absorption caractéristique de la liaison peptidique) ; cette absorbance est non-spécifique, contrairement à celle des acides aminés aromatiques  En milieu alcalin les AA libres réagissent avec le CuSO4 pour former un complexe violet (réaction de Biuret) Quelques exemples d’intrêt sont donns dans votre cours pour illustrer la diversit des peptides biologiques ; vous êtes encouragés à en prendre connaissance dans votre polycopi de cours. Notez notamment qu’une modification de structure secondaire ou tertiaire peut entrainer un changement majeur de FONCTION.

3. Processus de protéolyse limitée des précurseurs Il faut comprendre l’importance du processus de protéolyse limitée des précurseurs. Exemple de l’insuline : L’insuline est une petite protéine constituée de deux chaînes peptidiques reliée par des ponts disulfures, initialement synthétisée sous forme de pré-pro-hormone (le précurseur hormonal). La pré proinsuline possède une séquence signale au niveau N-ter permettant adressage de la protéine. Cette séquence est clivée pour donner la proinsuline (forme inactive, de stockage). Enfin, une seconde protéolyse libère le peptide C pour aboutir à l’hormone active, l’insuline.

https://www.magazinescience.com/ On dit que cette protéolyse est limitée car seule une partie de l’hormone est dgrade. 15/30

3. Structures tridimensionnelles Rappel : Structure primaire  

Enchaînement d’AA assimils à des perles enfiles sur un collier (pas de notion de repliement dans l’espace). Stabilité forte grâce aux liaisons peptidiques (liaisons covalentes)

1. Structure secondaire Définitions : Organisation régulière et récurrente d’acides amins en agencements tridimensionnels localisés (peu étendus). On s’intresse principalement à trois types d’organisations secondaires : hélice alpha, feuillet bêta, coudes et boucles. La stabilité de la structure secondaire est en partie assurée par les liaisons peptidiques, mais il existe tout un réseau d’interactions locales entre rsidus d’AA qui détermine la structuration de la chaîne peptidique. Le schéma ci-dessous rsume les liaisons ou interactions que l’on peut observer.

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Les liaisons :

Type de liaison

Caractéristiques

Force de la liaison

Hydrophobe

Regroupement de résidus non polaires et peu polarisables de manière à réduire au maximum la surface de contact avec l’eau

Non covalente

Hydrogène

Schéma

Entre un atome d’hydrogne et un atome lectrongatif (N, F, O…) Entre deux liaisons peptidiques, entre deux radicaux ou entre un radical et une liaison peptidique

Non covalente, force modérée

Entre deux atomes présentant une grande différence d’lectrongativit

Ionique

Notamment entre AA chargés au pH physiologique, l’interaction sera répulsive ou attractive en fonction de ces charges

Non covalente

Entre deux AA avec des fonctions thiol (SH où S est une cystéine)

Pont disulfure

Peptidique

Formée par oxydation par la disulfide isomérase dans le RE ; L’utilisation d’agents réducteurs rompt ce type de liaisons (bêta-mercaptoéthanol, dithiothreitol)

[Confer 2.1 nomenclatures des peptides et liaison peptidique]

Covalente, forte

Covalente, forte

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Ces liaisons structurent donc la protéine. Par exemple, les résidus enfouis à l’intrieur des chaînes sont majoritairement hydrophobes, car ils établissent des interactions hydrophobes entre eux. Tous les AA ne sont pas capables d’tablir tous les types de liaisons prsents. La mise en place de ces liaisons dépend des caractéristiques des AA. Ainsi, certains vont être plus « favorables » à la mise en place d’une structure de type hlice alpha ou feuillet bêta. On ne retrouve donc pas les même proportions d’AA entre ces différentes structures. Exemple : l’alanine A est plus fréquemment retrouvé dans les hélices alpha que dans les feuillets bêta. Rappel sur la liaison peptidique : celle-ci peut être caractérisé par un couple d’angles (Φ ; ψ) qui peut prendre un nombre de valeurs limitée. Le diagramme de Ramachandran donne la représentation des différents couples d’angles possibles de part et d’autre d’une liaison peptidique au sein d’une protéine : Comment lire ce diagramme ? On a un couple d’angle (Φ ; ψ) de l’ordre de (-90° ; 90°). On cherche -90° sur l’axe horizontal, puis +90° sur l’axe vertical ; le croisement de ces deux axes aboutit à un point situé dans le domaine en haut à gauche de la figure. Ce domaine correspond à une forte probabilité de feuillet bêta.  Ce couple d’angle dans la liaison peptidique a une forte probabilité d’aboutir à la mise en place d’une structure de type feuillet bêta. Remarque : on distingue hélice alpha gauche (αL) de l’hélice alpha droite (α).

Toutes ces liaisons sont donc fondamentales à la structure et à la fonction d’une protine. Que se passe-t-il si elles sont détruites ? Cela peut se produire en présence de divers agents chimiques ou physiques (température, pH extrême, certains détergents, concentration leve en ions…). La protine est alors dénaturée ; elle se linéarise et perd son activité.

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Les différentes structures secondaires :

Nom

Structure

Formation enroulée : Squelette carboné (ensemble des carbones) à l’intrieur, radicaux à l’extrieur

Hélice alpha

Caractéristiques

Schéma

Exemples de protéines

Généralement droite 3,6 AA par tour 1,5Å entre deux AA successifs 5,4Å par tour (pas de l’hlice) Stabilisation par liaisons hydrogènes intra-chaînes  structure rigide (Cela fait que certains AA ne sont pas favorables à la formation d’hélices ; notamment parce que leur structure ne permet pas l’établissement de ces liaisons H [cf cours 3])

Kératine ; Myoglobine ; Leucine zipper (structure présente dans de nombreux facteurs de transcription)

7Å entre 2 chaînes latérales Formation étirée : Plusieurs brins bêta (chaînes polypeptidiques)

Feuillet bêta

Chaînes latérales dans des directions opposées pour 2 AA adjacents (si le radical du AA n émerge au-dessus du plan, celui du n+1 émerge en dessous du plan)

Les brins peuvent être agencés dans des directions opposées (feuillet antiparallèle) ou similaires (parallèle) Le couple d’angles (Φ ; ψ) varie en fonction des AA

PrPSc ; fibroïne

Stabilisation par des liaisons hydrogènes inter-chaînes et des AA hydrophobes (stabilisation des feuillets lorsqu’ils s’empilent) (On retrouve donc au cœur des feuillets des AA aromatiques et à chaîne ramifiée)

Remarque : il existe d’autres types de structures, et notamment d’autres types d’hélices telles que les hélices à pas gauche retrouvées dans les collagènes [confer cours 3 de biochimie]. 19/30

Représentations des structures secondaires : On peut représenter une hélice alpha par le modèle de la roue hélicoïdale.

Comment lire cette figure ? On regarde l’hélice par le haut. Le premier acide aminé est situé tout en hait (à 12h). On compte de 5 en 5 (on saute 5 AA à chaque fois) pour reconstituer la séquence le l’hélice alpha. Cela est dû au fait qu’un tour d’hélice (360°) corresponde à 3,6 AA ; il faut faire une rotation de 100° pour passer de l’AA n à l’AA n+1. Remarque : pour une hélice à pas droit, la rotation s’effectue dans le sens des aiguilles d’une montre, mais pour une hélice à pas gauche (plus rare), ça serait dans le sens inverse.

Une autre représentation possible est celle du diagramme de Wenxiang. Celle-ci permet de représenter des hélices alpha contenant plus d’AA, et de manire « continue » (pas de saut d’AA). Elle permet galement de distinguer 3 types d’hlices (classées ici par degré d’hydrophobicit croissant) :

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Comment distinguer un feuillet bêta parallèle d’un feuillet bêta antiparallèle ? Les liaisons hydrogènes sont représentées en rouge.

Il existe également des agencements mixtes. Attention, l’ordre des brins ne suit pas forcment l’ordre de la squence. Structures de jonction : Des structures de jonction relient les hélices alpha et les brins bêta ; il s’agit des coudes et des boucles. On retrouve également des structures de type boucles reliant les différents brins constitutifs des feuillets bêta. Les AA constituant ces structures sont peu nombreux, et majoritairement hydrophiles. Ce sont des régions peu structurées, stabilisés par des liaisons faibles. D’un point de vue fonctionnel, les coudes et les boucles sont souvent des segments peptidiques exposés, ce qui signifie qu’ils servent souvent de site de reconnaissance ou d’interactions avec d’autres protines. Epingles à cheveux : petites structures de 2 AA Coudes : il en existe différents types (α ; β ; π ; γ…), on les distingue en fonction du nombre de liaisons peptidiques et de leurs liaisons hy...