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UNIVERSITE DE PARIS
1er semestre 2019-2020 – Valérie Brocheriou
UE 1
BIOCHIMIE
FICHE DE COURS 2 ACIDES AMINES ET PROTEINES
CPCM – 106 Bd Saint Germain 75006 PARIS – Tel : 01.46.34.52.25 contact@prepa-cpcm.com / www.prepa-cpcm.com
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ACIDES AMINES ET PROTEINES
Table des matières
I- Les acides alpha- aminés p.3
1. Classification p.3
2. Propriétés physico- chimiques p.5
3. Les modifications post- traductionnelles p. 7
II- Les protéines p.8
1. Définition p.8
2. La liaison peptidique p.8
3. Les différents niveaux de structure des protéines p.9
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ACIDES AMINES ET PROTEINES
I- Les acides -aminés
Les acides -aminés sont les constituants majeurs des protéines.
1- La classification : elle se fait selon la nature physico-chimique du reste (radical) R.
Attention : Dans votre classification, polaire = hydrophile et apolaire = hydrophobe
1.1- Les acides -aminés à reste R apolaire aliphatique
Remarques :
- La glycine ne possède pas d’atome de carbone asymétrique
- La glycine possède le radical R le plus petit possible (R = H)
- L’isoleucine possède deux atomes de carbone asymétriques
- La proline possède un reste R cyclique
- La proline est le seul acide -aminé naturel à fonction amine secondaire
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1.2- Les acides -aminés à reste R aromatique
1.3- Les acides -aminés à reste R polaire non ionisable
1.4- Les acides -aminés à reste R polaire ionisable
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1.5- Les acides -aminés à reste R à fonction alcool ou soufrée
1.6- Les acides non -aminés
Ils ne sont pas constitutifs des protéines mais peuvent intervenir dans le métabolisme,
ou comme neurotransmetteurs :
- Ornithine et citrulline interviennent dans la synthèse de l’urée, le cycle de l’urée
permettant l’élimination de l’azote « toxique » chez l’homme
- L’acide glutamique peut être décarboxylé en acide -aminobutyrique (GABA,
neurotransmetteur)
- L’histidine peut être décarboxylée en histamine (neuromédiateur, impliquée dans les
phénomènes allergiques)
- La tyrosine peut être hydroxylée sur le noyau aromatique pour donner la DOPA, qui
sera décarboxylée pour former la dopamine
2- Les propriétés physico-chimiques des acides aminés
2.1- Les propriétés acido-basiques
La présence d’une fonction acide carboxylique et d’une fonction basique (amine) confère aux
acides aminés un caractère ampholyte.
On pose pour simplifier que pKa COOH / COO- = 2,0 et que
pKa NH3+ / NH2 = 9,2
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2.2- Les propriétés spectrophotométriques
On retiendra que les acides -aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp) absorbent dans
l’U.V. à max = 280nm (Phe plus précisément à 260 nm). On considèrera que les autres
acides -aminés n’absorbent pas dans l’U.V. Les acides aminés aromatiques augmentent
fortement l’absorption des protéines dans l’U.V.
3- Les modifications post-traductionnelles des acides aminés dans les protéines
De nombreuses modifications post-traductionnelles sont réalisables sur les acides
aminés dans les protéines. Seules les plus importantes figurent dans le tableau ci-dessous.
Les principales modifications post-traductionnelles des acides aminés
Phosphorylation Acétylation Hydroxylation Méthylation
Ponts
disulfures Glycosylation
Sérine OUI OUI
Thréonine OUI OUI
Tyrosine OUI
Lysine OUI
(Ex : Histones)
OUI
(Ex : Collagènes)
OUI
(Ex : Histones)
Histidine OUI
Proline OUI
(Ex : Collagènes)
Asparagine OUI
Cystéine OUI
L’extrémité NH2 terminale des acides aminés peut être protégée par acétylation
L’acide aspartique et l’acide glutamique peuvent subir des réactions de carboxylation
La cystéine est le seul acide aminé capable de réaliser des ponts disulfures (les ponts disulfures
s’établissent entre deux cystéines)
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II- Les protéines
1- Définition
Les protéines sont des polymères non branchés d’acides aminés qui s’enchaînent par
liaison peptidique (liaison amide). Les protéines sont issues de la traduction des ARNm par
les ribosomes et les ARNt. On parle de protéine à partir de 50 acides aminés. Pour un nombre
inférieur, on parle de peptides.
Notez que les peptides peuvent être synthétisés :
- comme les protéines donc avec intervention des ribosomes pour certains
- Sans intervention de ribosomes pour d’autres (Ex : le glutathion). Dans ce cas des
complexes multienzymatiques interviennent.
2- La liaison peptidique et ses caractéristiques
Dans un peptide ou dans une protéine, la liaison peptidique s’établit par condensation
entre le -COOH d’un acide aminé et le -NH2 de l’acide aminé suivant, avec élimination
d’une molécule d’eau (voir schéma ci-dessous : dipeptides Ala – Gly et Ala – Pro).
Le premier acide aminé correspond à l’extrémité N-terminale
Le dernier acide aminé correspond à l’extrémité C-terminale
La liaison peptidique formée est :
Une liaison forte (covalente), polaire, non chargée, sans propriété acido-basique (ne
s’ionise pas dans l’eau, ne se protone pas dans l’eau)
Très résistante à l’hydrolyse chimique (voir méthodes)
Une liaison plane : la stabilisation par résonance confère à la liaison peptidique un
caractère partiel de liaison double. Ainsi la liaison C–N a une longueur intermédiaire
entre liaison simple et liaison double
De configuration trans privilégiée car plus stable (cis possible, surtout dans le cas de
la proline mais reste minoritaire) : en effet, le caractère liaison double partielle
entraîne un empêchement de rotation autour de la liaison C-N.
Capable d’établir des liaisons hydrogène (CO accepteur, NH donneur)
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3- Les différents niveaux de structure des protéines (ou des peptides)
3.1- La structure primaire des protéines
C’est l’enchaînement simple des acides aminés (qui composent le peptide ou la
protéine) les uns à la suite des autres par liaisons peptidiques. La structure primaire est
génétiquement déterminée. Elle conditionne les structures secondaires et tertiaires des
protéines. Une protéine de structure primaire n’a généralement pas d’activité biologique.
3.2- Les structures secondaires des protéines
Les propriétés physico-chimiques de la liaison peptidique impliquent des arrangements
spatiaux particuliers pour la chaîne polypeptidique (voir schéma ci-dessous).
En effet, le caractère partiel de double liaison empêche la libre rotation autour de la
liaison peptidique C-N. On peut donc définir la position relative des restes R de deux acides
aminés consécutifs par les angles de torsion , tels que :
définit la rotation autour de la liaison C – C
définit la « rotation » autour de la liaison peptidique CO – N : 180° trans ou 0° cis
(les atomes C, O, N et H formant la liaison peptidique étant coplanaires)
définit la rotation autour de la liaison N – C2.
Une chaîne polypeptidique va ainsi s’organiser en segments dans lesquels un couple d’angle
(,) peut se répéter, définissant ainsi une structure secondaire régulière (si le couple se
répète) ou irrégulière
Seul un nombre limité de couple (,) est permis, de par la taille des différents restes R des
acides aminés qui composent la chaîne polypeptidique. Ces couples sont traduits
graphiquement par les diagrammes de Ramachandran et correspondent aux interactions
minimales entre ces restes R
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Chaîne polypeptidique : mise en évidence des angles de torsion ,
Diagramme de Ramachandran
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3.2.1- Les structures secondaires régulières de type hélice
Il existe de nombreuses structures en hélice, les caractéristiques des principales étant décrites
dans le tableau ci-dessous. Les hélices étant les plus communément rencontrées, elles sont
décrites par la suite plus en détail.
Les principaux types d’hélices dans les protéines
Hélice Hélice 310 Hélice
Hélice
Poly-Pro I
Hélice Poly-
Pro II
Hélice de
collagène
(//) (-57/-47/180) (-49/-26/180) ≈ (-57/-70/180) (-83/-158/0) (-78/149/180) (-80 à -57 / 130
à 155/180)
Pas de l’hélice 1,5Å / 100° 2,0Å 1,15 Å 1,9Å 3,12Å 3,1 Å
Résidus / tour 3,6 3,0 4,4 3,33 3,0 3
Sens de
rotation
Droite
(gauche rare) Droite Droite Droite Gauche
Gauche (triple
hélice droite)
Les principaux types d’hélice dans les protéines
3.2.1.1- L’hélice
Les carbones des acides aminés forment le squelette de l’hélice (schéma (a)),
consistant en une hélice droite le plus souvent (s’enroule dans le sens des aiguilles
d’une montre)
L’hélice est stabilisée par liaisons hydrogène (liaisons faibles) entre les C=O et les
NH des liaisons peptidiques (C=O de l’acide aminé n° i et NH de l’acide aminé n° i +
4, schéma (c))
Les liaisons hydrogènes sont toutes orientées dans le même sens, parallèles à l’axe de
l’hélice (formation de dipôles peptidiques alignés, schéma (b))
Les radicaux R des acides aminés pointent vers l’extérieur de l’hélice avec un
décalage de 100°
La proline est interdite dans l’hélice car elle ne peut pas engager sa liaison
peptidique (amide tertiaire donc pas de H) dans une liaison hydrogène
La glycine est interdite dans l’hélice car son radical R ne peut satisfaire les
conditions (,) imposées par la structure
Une hélice peut être totalement hydrophobe (ne comporte que des acides aminés
hydrophobes) : les hélices forment fréquemment les passages transmembranaires
des protéines
Une hélice peut être totalement hydrophile (ne comporte que des acides aminés
hydrophiles)
Une hélice peut être amphiphile : une face hydrophile et une face hydrophobe : un
ensemble d’hélices amphiphiles forment fréquemment les pores des canaux
ioniques de telle façon que les faces hydrophobes sont au contact de la bicouche
lipidique et les faces hydrophiles forment l’intérieur du canal
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Hélice : squelette (a), dipôle (b), liaisons hydrogène (c)
3.2.1.2- Caractérisation d’une hélice : méthode de la roue hélicoïdale
Cette technique de représentation permet la mise en évidence du caractère hydrophobe,
hydrophile ou amphiphile d’une hélice (voir schéma ci-dessous). Dans cette méthode,
chaque résidu d’acide aminé est projeté sur un cercle dans un plan perpendiculaire à l’axe de
l’hélice. On obtient la roue en se rappelant que les restes R de deux acides aminés consécutifs
sont décalés d’un angle de 100°.
Lorsque la roue est tracée et que vous devez disposer correctement les acides aminés dessus,
l’acide aminé n°2 est à 5 points du n°1, le n°3 est à 5 points du n°2…(voir le schéma ci-
dessous).
Hélice amphiphile (= amphipathique) : les acides aminés hydrophobes sont groupés du côté
droit de la projection, les acides aminés hydrophiles sont du côté gauche
3.2.1.3- L’hélice de collagène
Riche en proline et en glycine : Répétition de triplets motif de séquence (Gly – X –
Y)n X et Y étant des acides aminés quelconques (souvent proline pour X ou hydroxy-
proline / hydroxy-lysine pour Y)
Riche en acides aminés atypiques 3-hydroxy-proline, 4-hydroxy-proline, 5-
hydroxy-lysine obtenus par modifications post-traductionnelles
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Hélice gauche : Association de 3 hélices gauches en décalage de 1/3 pour former une
triple hélice droite = tropocollagène
Stabilisation de l’hélice gauche par liaisons hydrophobes : la proline réalisant des
liaisons peptidiques amides tertiaires, il n’y a pas de H disponible pour réaliser des
liaisons hydrogène. De plus, l’encombrement du cycle proline interdit les couples
(,) favorables à l’hélice
Stabilisation de la triple hélice droite par :
Liaisons hydrogènes inter-chaînes entre les C=O et les NH des
liaisons peptidiques
Liaisons hydrogènes inter-chaînes mettant en jeu les OH des hydroxy-
prolines
Liaisons hydrophobes
3.2.2- Les structures secondaires régulières de type feuillet
Feuillet antiparallèle Feuillet parallèle
Formation et
stabilisation
Association de brins par liaisons hydrogènes entre les NH et les C=O des
liaisons peptidiques orientés vers l’intérieur du feuillet. Les séquences
d’acides aminés formant les brins sont parfois très éloignées dans une même
chaîne polypeptidique
Connexion entre deux
brins Coude le plus souvent Boucles
Conformation des
liaisons peptidiques Trans
Distance entre deux
résidus 3,3Å
Acides aminés rares proline et glycine
Particularité des
liaisons hydrogène -
Conséquence
Les liaisons hydrogène sont bien
perpendiculaires au plan du
feuillet, ce qui confère une plus
grande stabilité
Les liaisons hydrogène ne sont pas
parfaitement perpendiculaires au plan
du feuillet
Caractère hydrophile /
hydrophobe /
amphiphile
De par sa grande stabilité, est
fréquemment hydrophiles ou
amphiphiles (alternance de résidus
hydrophobes / hydrophiles) donc en
surface des protéines
Généralement hydrophobes, enfouis dans
la structure protéique
Les liaisons peptidiques non engagées dans les liaisons hydrogène stabilisatrices du feuillet, ainsi que les
restes R des acides aminés sont orientés vers l’extérieur du feuillet (au dessus ou au dessous du plan) et
peuvent réaliser des contacts avec l’eau ou avec d’autres structures protéiques
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Feuillet antiparallèle et parallèle – Existence de feuillet mixte
3.2.3- Les structures secondaires irrégulières de type coudes et boucles
Coude
Nombre d’acides aminés 3 à 4 acides aminés
Stabilisation
Une liaison hydrogène :
entre le C=O de l’acide aminé n° i et le NH de l’acide
aminé n° i + 3 : coude
entre le C=O de l’acide aminé n° i et le NH de l’acide
aminé n° i + 2 : coude (moins fréquent)
Acides aminés fondamentaux
Proline et Glycine
La proline est fréquemment en position i + 1, jamais n°1,
jamais n°4
La glycine est fréquemment en position i + 3
Entre n°1 et n°4 : Asn, Ser, Asp fréquemment
Intérêt Permet un changement d’orientation d’une chaîne
polypeptidique. Ex : connexion de brins
Localisation Enfoui dans la structure protéique ou en surface au contact
du solvant
Les boucles sont des structures de 4 à 12 acides aminés, fréquemment placées en surface des
protéines, au contact du solvant. Elles peuvent intervenir dans des phénomènes de reconnaissance,
de catalyse (fixation d’un substrat) ; ex : 1- anti- trypsine (1AT vue avec Barouki)
Le coude
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3.3- Les structures super-secondaires (ou motifs structuraux) des protéines
Les structures super-secondaires sont des combinaisons simples de structures
secondaires fréquemment retrouvées dans les protéines, caractérisées par une architecture
spécifique et parfois par une fonction particulière (voir le tableau page 15).
4- La structure tertiaire
Il s’agit de la structure spatiale de la protéine (disposition globale dans l’espace de
l’ensemble des structures secondaires quelle que soit leur nature). Toutes les protéines
possèdent une structure tertiaire.
Selon leur structure tertiaire, les protéines peuvent être classées en deux catégories :
les protéines globulaires : elles présentent généralement une activité enzymatique.
les protéines fibreuses : ce sont généralement des protéines de structure (collagènes,
kératines, élastine…).
4.1- La stabilisation de la structure tertiaire
Liaison forte (covalente) : Liaisons faibles
Eventuellement pont(s)
disulfure(s) intra-chaîne ou inter-
chaînes polypeptidiques. On
rappelle qu’un pont disulfure ne
peut s’établir qu’entre deux
cystéines
Liaison de Van der Waals (3,5Å, 4kJ.mol
-1) :
Type dipôle permanent / dipôle permanent
Type dipôle permanent / dipôle induit
Type dipôle induit / dipôle induit
Les acides aminés neutres sont principalement engagés dans des interactions hydrogènes ; les
acides aminés chargés dans des interactions ioniques ; les acides aminés hydrophobes dans
des interactions hydrophobes.
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– (motif en épingle à cheveux)
Rencontré dans de très nombreuses protéines. Peut se répéter
n fois ( – )n. Les hélices sont connectées par des coudes
de 2 à 4 acides aminés caractérisés par une glycine en
position n°2.
Les hélices sont disposées à 20° et établissent entre elles des
contacts hydrophobes
Hélice – tour – Hélice
Fréquemment rencontré dans les protéines facteurs de
transcription (liaison avec l’ADN). Dans ce cas les hélices
sont disposées à environ 120°
Hélice –boucle – Hélice
Rencontré dans de nombreuses protéines. Ici, ce motif
permet la fixation de Ca2+
dans la troponine C (intervention
d’acides aminés acides Asp, Glu). Notez que Ca2+
se fixe sur
la boucle et pas sur les hélices
– (motif en épingle à cheveux)
Rencontré dans de très nombreuses protéines. Peut se répéter
n fois ( – )n Nombreuses combinaisons possibles
– –
Deux brins parallèles (formant un feuillet) connectés par
une hélice pouvant se placer au dessus ou au dessous du
plan du feuillet. Ce motif peut se répéter ( – – )n
– –
Deux brins antiparallèles (formant un feuillet) connectés à
une hélice .
Exemple : la structure doigt de zinc, rencontrée dans de
nombreuses protéines facteurs de transcription. Présence
caractéristique de cystéines et d’histidine pour la chélation
du zinc (Zn2+
)
Les principales structures super-secondaires
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4.2- Structure tertiaire et domaines
4.2.1- Définition d’un domaine
Un domaine correspond à une zone d’association compacte de structures secondaires et /
ou de superstructures secondaires. Il constitue une unité fondamentale structurale et
souvent fonctionnelle d’une structure tertiaire. Une structure tertiaire peut donc être
constituée de plusieurs domaines de structures et de fonctions différentes, reliés entre eux par
des structures irrégulières de chaîne polypeptidique. On admettra qu’il n’existe pas de
différence entre domaine et sous unité.
4.2.2- Différents types de domaines – Exemples fondamentaux d’architecture
Type de domaine Exemple Architecture
Domaines : hélices associées par contact hydrophobe (cœur hydrophobe), fréquemment
antiparallèle connectées par des boucles et
disposées à 20°, 50°, 90°, ce qui facilite
l’empaquetage de la structure
Hormone de croissance Fagot d’hélices (4 hélices)
Cytochrome b-562,
Myohémiérythrine,
Ferritine
Fagot d’hélices (4 hélices) pour de nombreuses protéines à noyau hème
(fixation du fer)
Myoglobine 8 hélices connectées par des boucles.
Fixe le fer par un noyau hème
Histones 4 hélices
Domaines : le plus souvent deux feuillets
antiparallèles formant un sandwich ou un
feuillet replié en tonneau . On n’observe que
des brins connectés par des coudes ou boucles.
Notez que la distinction entre tonneau et
sandwich n’est pas claire, des systèmes
partiellement en tonneau pouvant se former dans
les structures sandwich (cas des
immunoglobulines)
Rétinol binding protein (RBP),
Porines (protéines
transmembranaires), Green fluorescent
protein (GFP)
Tonneau en méandres. Les résidus hydrophiles alternent avec les résidus
hydrophobes, ce qui conduit à une face
hydrophile et une face hydrophobe.
Le tonneau est une alternative aux
hélices amphiphile pour réaliser des
canaux transmembranaires
-cristalline,
Pré-albumine Tonneau à 2 motifs grecs
Super – oxyde dismutase
(S.O.D),
Immunoglobuline
Sandwich à motifs grecs. Les plans
des feuillets se font face. Fixation de
ligand sur une boucle
Domaines – : les deux motifs les plus fréquents sont :
le tonneau –
l’enroulement - (arrangement de Rossman)
Les feuillets sont parallèles ou mixtes (plus rarement)
Triose phosphate
isomérase, nombreuses
enzymes
Tonneau ( – (ou TIM) : cœur
hydrophobe formé d’un feuillet -
parallèle entouré d’hélices amphiphiles pour assurer le contact
avec le solvant et avec le feuillet. Le site actif est toujours en C-terminal et
le substrat se fixe en partie sur les
boucles
Enzymes fixant des coenzymes
nucléotidiques
(GADPH, flavodoxine par exemple)
Sandwich ( – – – )2 =
arrangement de Rossman
Domaines + : présence d’hélices et de feuillets séparés. Architectures mélangées
Ubiquitine, hexokinase,
lysozyme
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5- La structure quaternaire
5.1- Définition – Structure quaternaire – Monomère - Protomère
Une structure quaternaire correspond à l’association d’au moins deux chaînes
polypeptidiques identiques ou différentes par liaisons faibles plus éventuellement liaison(s)
covalente(s) comme par exemple pont(s) disulfure(s). On dit aussi qu’une structure
quaternaire est composée de sous unités, chaque sous unité formant un monomère.
Généralement, les différentes sous unités ont tendance à adopter un arrangement
symétrique. Quand il existe des sous unités différentes, l’entité asymétrique à partir de
laquelle le complexe symétrique est construit est appelé « protomère ». Un exemple
classique est le protomère () de l’hémoglobine ()2.
5.2- L’assemblage d’une structure quaternaire – Torsade d’hélices
Les sous unités s’assemblent par mise en contact optimisée de surface de liaisons
complémentaires. Par exemple une surface riche en acides aminés chargés négativement dans
la sous unité A pourra faire contact avec une surface riche en acides aminés chargés
positivement dans la sous unité B
Les structures en torsade d’hélices droites, dites encore super-hélices gauches ou
« coiled – coil », permettent l’assemblage de deux sous unités par complémentarité entre
surface d’interaction. Ce type de structure est toujours caractérisé par la répétition d’un motif
heptade, tel que l’on retrouve régulièrement le même acide aminé hydrophobe tous les 7
résidus. L’exemple type est la structure Leucine Zipper, rencontrée dans de nombreuses
protéines facteurs de transcription.
Les caractéristiques de la structure en hélice « coiled – coil »
Nombre de résidus par tour d’hélice 3,5
Point d’émergence des chaînes latérales Tous les 2 tours donc tous les 7 acides aminés
Séquence caractéristique (Heptade)n = (a, b, c, d, e, f, g)n
Particularités de l’heptade
Présence de leucine ou isoleucine tous les 7
acides aminés (position « d ») + un autre
acide amine hydrophobe en position « a ».
Ainsi, l’acide aminé « a » et l’acide aminé
« d » stabilisent la structure à tour de rôle
Exemple Leucine Zipper
Intérêt de la structure “leucine zipper »
Homo-dimérisation ou hétéro-dimérisation
par association d’hélice de chaque
monomère
Exemples de protéines fibreuses à structure
« coiled coil »
Myosine, tropomyosine, fibrine, kératine
(grande résistance mécanique)