CPCM - UE 1 BIOCHIMIE...2- Les propriétés physico-chimiques des acides aminés 2.1- Les...

Page | 1 CPCM- UE1B- FC2

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 [email protected] / www.prepa-cpcm.com

http://www.prepa-cpcm.com/


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


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


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


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


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)


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)


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


Chaîne polypeptidique : mise en évidence des angles de torsion ,

Diagramme de Ramachandran


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


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


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


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


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.


– (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


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


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)

CPCM - UE 1 BIOCHIMIE...2- Les propriétés physico-chimiques des acides aminés 2.1- Les...

Documents

Transcript of CPCM - UE 1 BIOCHIMIE...2- Les propriétés physico-chimiques des acides aminés 2.1- Les...