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Chapitre III: Structure spatiale des protéines

La séquence des acides aminés est déterminée par les gènes.

La séquence des acides aminés détermine la structure tridimensionnelle.

Une séquence d’acides aminés conduit à une structure tridimensionnelle donnée?

III.1. Conformation des protéines


Liaison peptidique et liberté de rotation

Diagramme de RamachandranLiberté de rotation possible autour de CαAngles de rotation phi et psi

la liaison peptidique est plane

Plusieurs contraintes stériques restreignent la variété des dispositions tridimensionnelles possibles des atomes. Des contraintes supplémentaires liées à la formation de liaisons faibles restreignent le nombre de conformations possibles d’une protéine.


III.2. Les liaisons covalentes et non covalentes

III.2.1. La liaison covalente

Une liaison covalente est formée par la mise en commun (partage d’électrons) d’au moins une paire d’électrons entre deux atomes.

1 paire d’électrons: liaison simple2 paires d’électrons: liaison double3 paires d ’électrons: liaison triple

Les liaisons covalentes sont les liaisons les plus fortes (en kcal/mole)

C-C 82 C-N 70C-H 99 C-O 84O-H 110 N-H 94S-S 63

Différence entre

liaison covalente

et liaison ionique


III.2.2. Les liaisons non covalentes

Dans les molécules biologiques, il existe des interactions moléculaires noncovalentes facilement réversibles.

Rappels: l’eau est polaire, cohésive et solvate les molécules polaires

Les liaisons hydrogènes

Ces liaisons sont différemment affectées par la présence de l’eau dans les milieux biologiques.

Énergie de liaison: 3 à 7 kcal/mole

Se forment entre molécules polaires


Les liaisons électrostatiques


Se forment entre molécules chargées

Affectées par la présence de l’eau et des sels

Loi de coulomb

q1q2

F= r2D

OCH2-C +NH3-CH2-

O- 2,8 A00

Les interactions de Van der Waals

Dépendent de la distance inter-atomiqueFaibles et moins spécifiques (1 kcal/mole)

Forces attractives et répulsives

Distance de contact de Van der Waals =somme des rayons de Van der Waals

3 à 7 kcal/mole

distance


Les interactions hydrophobes


Se réfèrent à l’association de composés non-polaires dans un milieux aqueux

Liées au fait que l’eau se lie fortement à elle-même

Ces 4 types de liaisons faibles agissent en parallèle pour déterminer et stabiliser la forme d’une protéine.


III.3. Les 4 niveaux d’organisation structurale

primaire secondaire tertiaire quaternaire

Enchaînement des acides aminés.Liaison covalente

Repliement localiséde la chaîne peptidiqueLiaison non covalente

Organisation complètede la chaîne peptidiqueLiaisons non covalentes et covalente

Structure globale d’un complexe multimèriqueLiaisons non covalentes

De la séquence au repliement

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4. Les motifs de structure secondaire

Découverts il y a 50 ans

Hélice α dans la kératine Feuillet β dans la fibroïne

Liaison hydrogène entre N H et C O du squelette peptidique

Boucles et coudes: connections

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.1. L’hélice alpha

Hélicedroite

Hélicegauche

Pas de l’hélice: 3,6 résidus5,41 A

C-terminal

N-terminal L’hélice droite est la structure secondaire la plus répandue.L’hélice gauche est très rare dans les protéines

Φ = - 57°Ψ = - 47°

N-ter

C-ter

Liaison hydrogène résidus n et n+4

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.1. L’hélice alpha

Hélice α a un moment dipolaireLes chaînes latérales sont situées à l’extérieur de l’hélice

Vue de dessus

Hélices amphipathiques

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.2. Les feuillets bêta Brin β

• 5 à 10 résidus

• Conformation étirée

• Cα alternativement au dessus et au

dessous du plan

• S’associent aux brins adjacents par

liaisons hydrogène

Feuillets bêta.

N

C

Feuillet de 4 brins anti parallèles Feuillet de 4 brins parallèles

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.2. Les feuillets bêta

Φ = - 139°Ψ = + 135°

Φ = - 119°Ψ = + 113°

Feuillet β mixte de la thiorédoxine d’E. coli

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.2. Les feuillets bêta

N-ter

C-ter

Légère torsion droite des brins bêta dans les 3 types de feuillets

Représentation schématique des feuillets

antiparallèle

parallèle

III.4.3. Les boucles et les toursChapitre III: Structure spatiale des protéines

Structures non régulières, non répétitives, connectent structures secondaires

Tours ou coudes β• 2 à 4 résidus• Connectent deux brins β antiparallèles• Différents types classés selon les angles phi et psi des différents résidus

Type I

Type II

Type II

Boucles• Jusqu’à 20 résidus• Résidus polaires et chargés• Situées en surface• Liaison hydrogène avec molécule d’eau• Grande variabilité• Éléments de jonction• Participent à la formation de sites de liaison ou de sites actifs

Structure Φ Ψ

β antiparallèle -139 +135 β parallèle -119 +113

Hélice α droite -57 -47 Hélice 310 -49 -26 Hélice π -57 -70 PolyPro I -83 +158 PolyPro II -78 +149 PolyGly II -80 +150

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesLes angles phi et psi caractérisent les structures secondaires

Si conformation ne correspond à aucune structure secondaireconformation en pelote statistique ou « random coil »

Le dichroïsme circulaire apporte des informations sur les structures secondaires d’une protéine, en particulier permet de mesurer le taux d’hélicité avec indication du sens droit ou gauche.

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples

• Composée presque exclusivement d’hélice α

• Chez vertébrés, composant principal des phanères (cheveux, poils, fourrure, bec, ongles, griffes, sabots)

α-kératine

•Structure de base: protofibrille

•Protofibrille: 2 paires d’hélices en superhélice gauche (Van der Waals et ponts S-S)

• 1 paire: 2 hélices α droites enroulées en hélice gauche

• 8 protofibrilles pour 1 microfibrille

• Microfibrilles réticulées par des ponts S-S

• Macrofibrilles plus ou moins rigides

X2

Hélice αR 1 et 4 (sur 7) hydrophobes


collagène

• 25% de toutes les protéines des vertébrés

• Composant principal du tissu conjonctif

• Différents types de collagène, différentes formes, différentes fonctions (os, dents, cornée, tendons, peau, vaisseaux sanguins

• Structure de base: tropocollagène3 hélices gauches enroulées en torsade droite

• Collagène riche en glycine (1/3) et en proline (1/4)

• Présence d’hydroxyproline et d’hydroxylysine (post-traductionnelle) selon le type de collagène

• Hydroxyproline: formation de liaisons hydrogène intercaténaires dans la triple hélice de tropocollagène

• Hydroxylysine: porte des oligosaccharides

• 3 tropocollagènes pour une microfibrilleLiaisonsallys/lysallys/allys

Liaisons H

Chaîne α1 du collagène de rat


collagène

• 5 types de collagène

• 2 types d’hélices α 1 et α 2avec propriétés différentes

• Motif répété (Gly-X-Y)n avec X souvent Pro

• Stabilisation - par liaisons H intermoléculaires

entre hélices tropocollagène (glyet pro)- liaisons covalentes inter et

intra superhélices entre résidus lysine modifiée et lysine

Pas de cystéine, pas de ponts S-S


Fibrinoïne de la soie

• Feuillets bêta antiparallèles

• Répétition (Ser-Gly-Ala-Gly)n

• Arrangement particulier des chaînes latérales de Gly et de Ala

• Empilement particulier des feuillets bêta

• Stabilisés par interactions Van der Waals

• Flexible et non extensible.


Coude bêta

Elastine

III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples

• Constituant majeur des fibres élastiques (peau, paroi des vaisseaux, ligaments)

• Motifs répétés: (V-P-G-V-G)n(A-P-G-V-G-V)n

• Organisation en coude β

• Spirale β: extensible et flexible.

Spirale bêta

Coude bêta


III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques

III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural




Structure de la myoglobine:Différentes représentations

schématiques construites par

ordinateur à divers degrés de

simplification.

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural


Les feuillets bêta sont souvent représentés par des diagrammes topographiques.




Les motifs de structure supersecondaire



III.5.2. Les motifs α - α

Motif liant l’ADN Motif liant le calcium


Motif EF Troponine C


Hélice-boucle-hélice liant le calcium

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.2. Les motifs α - α

10 pb

ADN-B

Régulation de l’expression des gènes au niveau transcriptionnel

activateurs, répresseurs, facteurs de transcription

interaction avec l’ADN

motifs structuraux spécifiques

- hélice-tour-hélice - hélice-boucle-hélice

- fermeture éclair à leucine - doigt de zinc

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.2. Les motifs α - α

Hélice-tour-hélice liant l’ADN

Cro Represseur trp Fragment cI Fragment Cap

Facteurs procaryotes


10 pb



ADN-B

Sites de liaison de Cro dans l’opérateur du phage lambda

Dimère Cro

Motif de Cro lié à l’ADN




Répresseur opérontryptophane

Répresseur actifRépresseur inactif



Autres motifs alpha-alpha liant l’ADN

HoméodomaineClasse particulière de protéines hélice-tour-hélice

Fermeture éclair à leucine1 résidu sur 7

Hélice-boucle-hélice

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.3. Les motifs β – β

épingle à cheveux bêta

Inhibiteur de la trypsine bovine

Erabutoxine

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.3. Les motifs β – β

Clé grecque

Nucléase de staphylococcus Formation du motif

Motif « clé grecque »

Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.4. Les motifs mixtes

β−α−β

Impliquée dans la formation de sites actifs ou de sites de liaison

Pas de fonction reconnue

III.5.4. Les motifs mixtes

β−α−β


2 conformations possibles

Droite Gauche


III.5.4. Les motifs mixtes

β−β−α

Motif doigt de Zinc


III.6. La structure tertiaire: notion de domaine

La chymotrypsine est formée de 2 domaines



Domaine liant le Calcium Domaine de Kringle

Un ou plusieurs domaines



Les domaines sont des unités structurales et fonctionnelles



Trois domaines protéiques différents

Domaine unique ducytochrome b562

Domaine de liaison au NAD de la lactate déshydrogénase

Domaine variable de chaine légère d’Ig


III.7. La structure quaternaire

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