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PARIS XII CRETEIL – TORCY – SENART

1er semestre 2020-2021 – Patrick Razon

METABOLISME ET REGULATION

FICHE DE COURS 1 : ACIDES AMINES - PROTEINES

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ACIDES AMINES - PROTEINES

Table des matières

1. Rôle des protéines : définitions p.3

2. Classification des protéines p.3

2.1.Créer et maintenir une structure p.4

2.2.Bouger, se déplacer p .4

2.3.Transformer p.5

2.4.Transporter p.5

2.5.Informer, signaler p.5

2.6.Reconnaitre se défendre p.7

3. Les acides -aminés p.7

3.1.Origine des acides aminés p.7

3.2.Propriétés acido-basiques p.8

3.3.La classification des acides aminés p.9

3.3.1. R apolaire aliphatique p.9

3.3.2. 3 acides aminés à reste R aromatique p.10

3.3.3. Acides aminés à reste R polaire neutre p.10

3.3.4. Acides aminés à reste R polaire chargé p.11

4. Liaison peptidique et peptides p.12

4.1.Caractéristiques de la liaison peptidique p.13

4.2.Angles , , p.13

5. Structure des protéines p.14

5.1.Structure primaire des protéines p.14

5.2.Structure secondaire des protéines p.14

5.2.1. Les hélices p.15

5.2.2. Les feuillets bêta p.16

5.2.3. Les coudes et les boucles p.16

5.2.4. Les structures super-secondaires p.16

5.2.5. Structure secondaire et pathologies : le prion p.17

5.3. Structure tertiaire des protéines p.17

5.4.Structure quaternaire des protéines p.18

5.4.1. Exemples du collagène et de l’élastine p.18

5.4.2. Myoglobine et hémoglobine p.19

5.4.3. Deux modèles allostériques p.22

5.4.4. Hémoglobine : modèle pour étude de pathologie moléculaire p.22


ACIDES AMINES - PROTEINES

1- Rôles des protéines

Le terme protéine vient du grec « proteion » Qui signifie « occuper le premier rang ».

En effet, les protéines jouent un rôle fondamental dans l’organisme puisqu’elles sont impliquées dans presque

tous les processus biologiques.

La structure de ces protéines est particulièrement bien adaptée à leur fonction et il va donc exister une relation

étroite entre la forme et la fonction de la protéine.

2. Classification des protéines

Classification des protéines : 5 types de classification

Par type de structure Par famille et

superfamilles

Par localisation

tissulaire

Par localisation

cellulaire Par fonction

Protéines

globulaires

Protéines

fibreuses

Superfamille des

immunoglobulines

Famille des

homéoprotéines

Famille des

tyrosines kinases

Sérum, enzymes

digestives, protéines

musculaires

Membranaire,

cytosolique,

mitochondriale,

nucléaire…

Voir Tableau suivant

Classification des protéines par fonction : 6 fonctions

Créer et

maintenir une

structure

Bouger, se déplacer

(transformation de

l’énergie chimique

en énergie

mécanique)

Transformer Transporter Informer

signaler

Reconnaitre et se

défendre

Cytosquelette

(Microtubules,

microfilaments

filaments

intermédiaires)

Protéines motrices

(Myosine) Les enzymes

catalysent

l’essentiel

des réactions

chimiques du

vivant

Transporteurs

transmembranaires

(Transporteurs

ABC, CFTR

(mucoviscidose))

Récepteurs et

ligands Chaperonnes

Tissus de

soutien

(collagène)

Protéines à

mouvement

intracellulaires

(Kinésines,

dynéines)

Transporteurs de

petites molécules

dont O2

(Myoglobine,

hémoglobine,

transferrine)

Interrupteurs

moléculaires Immunoglobulines


2.1. Créer et maintenir une structure

Les protéines de soutient ont une structure semblable leur permettant d’assurer leur fonction.

Ce sont des protéines : Fibreuses

Mécaniquement solides

Généralement insolubles

Que ce soit les protéines du cytosquelette ou les protéines de maintien du tissu conjonctif (tendon, cartilage, os…) elles ont une forme de corde qui leur permet d’être souple et de s’étirer si besoin.

Le collagène ou tropocollagène est un élément essentiel présent dans le tissu conjonctif et permettant, de par sa structure en triple hélice, de maintenir les organes et les tissus.

On retrouve des protéines ayant les mêmes fonctions mais au niveau cellulaire qui donnent sa forme à la cellule.

Les cytokératines jouent le même rôle que le collagène, mais cette fois, à l’intérieur de la cellule.

D’autres éléments qui traversent la cellule de part en part ont une structure fibreuse : les

microfilaments (actine) et les microtubules (tubuline).

2.2. Bouger, se déplacer

Certaines protéines ont également pour fonction de se déplacer, notamment à l’échelle de l’individu.

Par exemple les protéines intervenant dans la contraction musculaire comme la myosine qui va permettre

de raccourcir le filament d'actine lors de la contraction.

Transformation d’énergie chimique (ATP) en énergie mécanique

Le complexe actine-myosine qui assure la contraction musculaire est un système complexe composé de plusieurs protéines :

Actine : filaments fins

Myosine : filaments épais

Troponine : cette protéine très spécifique du cœur est relâchée dans la circulation par les cellules

mourantes. Ainsi, elle est mesurée dans le sang des malades chez qui on soupçonne un infarctus

du myocarde. La troponine est donc un excellent marqueur cardiaque.

Les molécules doivent pouvoir se déplacer de part et d'autre de l'organisme mais aussi de part et d’autre des

cellules → Il existe un réseau de protéines qui permettent ce transport.

Dans les neurones (cellules les plus longues de l'organisme) le transport est assuré par des protéines qui se déplacent le long des microtubules. Ces protéines (dynéines, kinésines) possèdent des structures

particulières avec un site de fixation pour le microtubule et un pour l'élément à transporter.


2.3. Transformer

Les différentes classes d’enzymes : 6 classes Oxydoréductases Transfert d’électrons

Transférases Transfert de groupes chimiques

Hydrolases Réactions d’hydrolyse (avec H2O)

Lyases Addition d’un groupe sur double liaison ou création de double liaison par perte de groupes

Isomérases Transfert de groupe à l’intérieur d’une molécule pour former un isomère

Ligases Formation de liaisons C-C, C-S, C-O, ou C-N par condensation. Nécessite ATP (énergie)

2.4. Transporter

Des protéines sont chargées de véhiculer un certain nombre de substances d’un point à un

autre de l’organisme : c’est le cas de l’hémoglobine, de la transferrine et de la myoglobine.

Hémoglobine Myoglobine

Rôle Transport sanguin de l’oxygène, des

alvéoles jusqu’aux tissus Stockage de l’oxygène

Localisation Sang Muscle

Structure 4 sous-unités = tétramère ()2 1 Monomère

La transferrine, protéine de structure globulaire, transporte le fer dans la circulation et va se fixer sur des récepteurs, pour faire rentrer le fer dans la cellule.

Il existe aussi au niveau cellulaire des transporteurs, qui permettent le transport (actif, passif, ou par diffusion). La plupart de ces protéines possèdent des structures particulières.

Exemple : le canal chlore fonctionne avec de l’ATP qui permet de boucher ou non le canal, en rapprochant le

domaine R. Dans le cas d’une mutation (mucoviscidose) sur le site de fixation à l’ATP, le canal chlore ne

fonctionne plus.

2.5. Informer, signaler

Les cellules émettrices de signaux peuvent se trouver proches ou éloignées des cellules réceptrices de ces signaux. Le signal (ligand) devra pénétrer à l’intérieur de la cellule qu’il doit informer.

Ce signal va être repéré à la surface de la cellule par une protéine réceptrice, le récepteur, et ce quelle que soit

la nature du ligand. Cette signalisation peut se faire :

Via des hormones synthétisées à un endroit du corps, allant se fixer sur des récepteurs présents dans

tout le corps

De façon locorégionale : une cellule envoie un signal à celles qui lui sont proches


Les différents types de récepteur : 4 types La famille de récepteurs représente une très importante classe de protéines puisque à chaque ligand est associé

un récepteur spécifique.

Ces récepteurs membranaires doivent pouvoir faire le lien entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule.

Les récepteurs sont tous, sans exception, des protéines.

Bien que les cellules répondent à des milliers de ligands différents, tous les stimuli connus agissent par l’intermédiaire d’une vingtaine de familles de récepteurs, chacune couplée à des mécanismes différents de

transduction du signal.

Entre le récepteur et le noyau de la cellule qui va donner les ordres en aval, on a besoin de protéines spécifiques qui vont transduire le signal (le propager à l’intérieur de la cellule).

Ces protéines ont clairement un rôle d’interrupteur moléculaire puisqu’elles peuvent soit laisser soit empêcher

le signal de poursuivre sa route.

Canal ionique couplé Récepteur enzyme

Récepteurs à 7

passages

transmembranaires

Récepteur nucléaire de

type « stéroïde »

S’ouvre ou se ferme en fonction

de la présence d’un ligand

L’activité enzymatique

intracellulaire est stimulée

quand le ligand se lie

Liaison du ligand

entraîne l’activation

d’un second messager

La liaison du ligand

entraîne la régulation de

l’expression d’un gène

Cas particulier des récepteurs à 7 passages transmembranaires Le site d’interaction du ligand sur le récepteur dépend beaucoup de la taille et de nature du ligand

Photons – catécholamines –

Autres petits ligands

Acides aminés – Peptides –

Chimokines – Prostaglandines –

Nucléotides – Nucléosides

Hormones glycoprotéiques (TSH, LH,

FSH, Interleukines, chimiokines)

Interaction au niveau des

passages transmembranaires

Interaction au niveau des boucles

extracellulaires

Interaction avec le domaine N-

terminale extracellulaire

Les récepteurs à 7 passages transmembranaires sont tous couplés à des protéines G

Les protéines G sont des protéines hétérotrimériques ancrées dans le feuillet interne de la membrane

plasmique. Elles sont :

Actives quand elles sont liées au GTP

Inactives quand elles sont liées au GDP

L’interaction récepteur / ligand entraîne l’échange GTP contre GDP sur la sous-unité alpha de la protéine

G

La sous-unité alpha liée au GTP se détache de et va activer une protéine effectrice de la membrane

plasmique. Cette protéine effectrice peut être (par exemple) :

L’adénylate cyclase (AC)

La phospholipase C (PLC)

Un canal ionique

La protéine effectrice produit un second messager intracellulaire


2.6. Reconnaitre et se défendre

Une des grandes fonctions des protéines est :

De protéger le corps du milieu extérieur.

La reconnaissance du « soi » et du « non-soi »

Parmi ces protéines, les anticorps (= immunoglobulines) sont parmi les plus importantes. Les immunoglobulines sont constituées de deux chaînes lourdes et de deux chaînes légères

Les chaînes lourdes sont liées entre elles par ponts disulfures

Les chaînes légères sont liées aux chaînes lourdes par ponts disulfure

Les immunoglobulines peuvent être dimériques à pentamériques

Les anticorps reconnaissent l’antigène par les extrémités N-terminales (variables) des chaînes

lourdes et des chaînes légères.

Plus le répertoire d’anticorps est étendu, plus on est protégé, d’où l’importance du brassage des espèces.

3. Les acides -aminés

3.1. Origine des acides aminés

Apportés par l’alimentation

Parfois synthétisés par la cellule

Les acides aminés qui doivent être obligatoirement apportés par l’alimentation = acides aminés indispensables (= essentiels) : Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Thr, Lys


3.2. Les propriétés acido-basiques des acides aminés

Les acides aminés sont des amphotères = ils possèdent à la fois une fonction acide COOH et une fonction basique

NH2

L’état d’ionisation des acides aminés dépend du pH environnant

Le pHi d’un acide aminé est le pH pour lequel la concentration en forme zwitterion (globalement neutre)

est maximum ou bien pH pour lequel la charge globale est nulle

On admettra que pour pH > pHi, les acides aminés, peptides, protéines sont globalement chargés

négativement (Pour pH < pHi, les acides aminés, peptides, protéines sont globalement chargés positivement

Le calcul du pHi d’un acide aminé se fait en fonction des pK de chaque fonction ionisable présente sur l’acide aminé. La chaîne latérale peut participer si elle possède une fonction ionisable

pHi des acides aminés

apolaires ≈ ½(2 + 10) = 6

pHi des acides aminés polaires

neutres ≈ ½(2 + 10) = 6


polaires ionisables

acides≈ ½(2 + 4) = 6


polaires ionisables

basiques

Gly, Ala, Val, Leu, Ile,

Pro, Met, Phe, Trp

Chargés négativement à

pH = 7,4

Ser, Thr, Tyr, Gln, Asn, Cys

Chargés négativement à pH =

7,4

Asp, Glu

Chargés négativement

à pH = 7,4

His : ½ (6 + 10) = 8

Lys : ½ (10 + 10,8) = 10,5

Arg : ½(10 + 12,5) =

11,5

Chargés positivement

à pH = 7,4


3.3. La classification des acides aminés

Elle se fait selon la nature physico-chimique du reste (radical) R.

On considère qu’il existe trois classes d’acides aminés : Apolaires

Chaîne latérale aliphatique

Chaîne latérale aromatique

Polaires neutres

Polaires ionisables

Chaîne latérale à fonction acide

Chaîne latérale à fonction basique

Attention : Dans votre classification, polaire = hydrophile et apolaire = hydrophobe

3.3.1. Les acides -aminés à reste R apolaire aliphatique

Acide aminé Code à 3 et à

une lettres Structure Remarque

Glycine Gly

(G)

Le seul acide aminé sans atome de carbone

asymétrique

Alanine Ala

(A)

Valine Val

(V)

Leucine Leu

(L)

Isoleucine Ile

(I)

Présence de deux atomes de carbone asymétriques

Méthionine Met

(M)

Acide aminé soufré – Puissant donneur de groupe

méthyle (CH3) grâce à sa chaîne latérale

Proline Pro

(P)

Chaîne latérale particulière à noyau pyrrolidine


3.3.2. Les 3 acides -aminés à reste R aromatique

Phénylalanine Phe

(F)

Absorbent dans l’U.V vers 280nm

Propriété mise à profit pour le dosage des protéines par

spectrophotométrie U.V

Attention : Phe et Trp sont apolaires

Attention : la tyrosine est un acide aminé polaire par sa

fonction alcool (phénol) OH.

La fonction phénol de la tyrosine est phosphorylable

Tyrosine Tyr

(Y)

Tryptophane Trp

(W)

3.3.3. Les acides -aminés à reste R polaire non chargé (6 acides aminés)

3.3.3.1. Les 3 acides aminés à fonction alcool

Acide aminé Code à 3 lettres Structure à connaitre Remarque

Sérine Ser

(S)

Fonction alcool phosphorylable.

La phosphorylation mène souvent à l’activation de la protéine

La fonction alcool de la tyrosine est particulière = fonction phénol

La thréonine possède deux atomes de carbone asymétriques

Thréonine Thr

(T)

Tyrosine Tyr

(Y)


3.3.3.2. Autres acides -aminés polaires neutres

Asparagine Asn

(N)

Acide aminé à fonction amide

Structure proche de celle de l’acide aspartique

Glutamine Gln

(Q)

Acide aminé à fonction amide

Structure proche de celle de l’acide glutamique

Cystéine Cys

(C)

Acide aminé à fonction thiol (SH)

Le seul acide aminé permettant la formation des ponts

disulfures dans les protéines.

Les ponts disulfures sont fondamentaux dans le processus

de repliement des protéines

La combinaison de deux molécules de cystéine (oxydation)

par pont disulfure donne la cystine

3.3.4. Les acides -aminés à reste R polaire chargé (5 acides aminés)

3.3.4.1. Les acides -aminés à chaine latérale acide

Acide aminé Code à 3 lettres Structure Remarque

Acide aspartique Asp

pKR = 3,9

Acide glutamique Glu

pKR = 4,2


3.3.4.2. Les acides -aminés à chaine latérale basique

Acide aminé Code à 3 lettres Structure Remarque

Lysine Lys

(K)

Chargés positivement au pH physiologique

pHi > 7,4

Arginine Arg

(R)

Histidine His

(H)

Acide aminé à radical basique (noyau

imidazole)

pKR = 6

pHi > 7,4 (pHi = 8)

Considéré comme neutre au pH

physiologique

4. Liaison peptidiques et peptides

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 (NH2 terminal libre à gauche)

Le dernier acide aminé correspond à l’extrémité C-terminale (COOH terminal libre à droite)

On parle d’oligopeptide entre 2 et 10 acides aminés

On parle de polypeptide pour un poids moléculaire < 10kDa


4.1. Caractéristiques de la liaison peptidique

Liaison forte (covalente) – Liaison amide particulière

Dimension quasiment fixe

Hybride de résonance entre deux formes extrêmes : les électrons circulent librement entre l’azote et l’oxygène

Liaison plane, rigide et polaire = rend les protéines très résistantes à l’hydrolyse (beaucoup d’énergie nécessaire pour rompre une liaison peptidique)

Configuration trans privilégiée car plus stable (les deux atomes de carbone alpha sont de part et d’autre du plan de la double liaison)

4.2. Angles , et

Les propriétés physico-chimiques de la liaison peptidique impliquent des arrangements spatiaux particuliers

pour la chaîne polypeptidique.

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 le caractère cis (0°) ou trans (180°) de la liaison peptidique C – N

Définit la rotation autour de la liaison C – C

Définit la rotation autour de la liaison N – C2.


5. Structure des protéines

5.1. Structure primaire des protéines

Structure de base des protéines

Enchaînement des acides aminés de N-ter vers C-ter par liaisons peptidique

Génétiquement déterminée

Conditionne les autres niveaux de repliement de la protéine donc oriente la conformation spatiale de

la protéine et influe directement sur la fonction de la protéine : une structure primaire conduit à une

structure 3D donnée.

5.2. Structure secondaire des protéines

Les structures secondaires apparaissent en relation avec les libertés de rotation que peuvent prendre les deux autres angles Φ et Ψ.

Le nombre de structures secondaires possibles est très limité (Graphique de Ramachandran).

Les principales structures secondaires sont :

Les hélices alpha

Les feuillets bêta

Les coudes et les boucles


5.2.1. Les hélices

Les Hélices

L’hélice : structure secondaire la plus fréquente dans les protéines Hélice droite

Pas = 5,4Å, 3,6 acides aminés / tour

(, ) = (-47°, -57°) = les deux angles sont négatifs = quart inférieur gauche du diagramme

Ramachandran

13 atomes forment une boucle fermée par une liaison hydrogène

Stabilisation : liaisons hydrogène intra-chaîne entre le O d’un CO de l’acide aminé n°N et le H d’un NH

de l’acide aminé n°N+4 :

C=O vers le haut

NH vers le bas

Dans l’hélice alpha, les résidus s’orientent de façon à placer les corps hydrophobes à l’intérieur de la molécule et les corps hydrophiles à l’extérieur pour faciliter les interactions avec l’eau environnante

Glycine et proline sont des acides aminés rares dans l’hélice alpha

Alanine = acide aminé fréquent dans l’hélice alpha

Protéines d’intérêt avec hélices alpha

Hémoglobine et myoglobine Protéines de liaison de l’ADN : facteurs de

transcription

Hémoglobine : transport d’O2, 70% d’hélices

Myoglobine : stockage O2, 70% d’hélices Une hélice alpha se cale dans le grand sillon de

l’ADN pour lier la protéine à l’ADN

Protéines transmembranaires Canaux ioniques

Des hélices alpha hydrophobes (composées d’acides

aminés hydrophobes) forment fréquemment les

passages transmembranaires des protéines

Des hélices alpha amphiphiles = une face hydrophobe

et une face hydrophile forment fréquemment les pores

aqueux des canaux ioniques :

Face hydrophobe = contact avec la membrane

Face hydrophile = pore aqueux

L’hélice 310: 1 tour = 3 acides aminés = 2Å, (, ) = (-26°, -49°)

L’hélice : 1 tour = 4,4 acides aminés = 5,6Å, (, ) = (-70°, -57°)


5.2.2. Les feuillets bêta

Les feuillets plissés Existence de feuillets plissés parallèles (, ) = (+113, -119)

Ou antiparallèles (, ) = (+135, -139) plus stables

Quart supérieur gauche du diagramme de Ramachandran

Corps hydrophobe à l’intérieur et résidus hydrophiles vers l’extérieur, comme dans l’hélice alpha

Stabilisation : liaisons hydrogènes inter-chaînes (inter-brins ) entre le O du CO d’un acide aminé d’un brin et le H du NH de l’acide aminé opposé dans le brin antiparallèle

Les feuillets bêta antiparallèles sont plus stables que les feuillets bêta parallèles car les résidus qui font les liaisons hydrogène se trouvent face à face. Ils sont plus éloignés dans les feuillets bêta parallèles

Les immunoglobulines sont essentiellement composées de feuillets

Proline = acide aminé rare dans le feuillet

Valine = acide aminé fréquent dans le feuillet

5.2.3. Les coudes et les boucles

Les coudes et les boucles : structures secondaires irrégulières = non répétitives (pas de

répétition (, ) dans la chaîne polypeptidique)

Connectent entre elles les structures secondaires

Se situent plutôt vers l’extérieur des protéines

Engagent des liaisons hydrogènes avec l’eau

Stabilisation par liaison hydrogène

Coudes (ou tours) : quelques résidus

Boucles : jusqu’à une vingtaine de résidus

Proline et glycine sont des acides aminés fréquents dans les coudes et les boucles

5.2.4. Les structures super-secondaires

Structures super-secondaires Correspondent à des motifs simples ou complexes (= association particulière de structures secondaires) souvent

associés à une fonction biologique spécifiques des protéines

Ex de motifs simples : Boucle , Coin , feuillet twisté

Ex de motifs complexes : Barillet (tonneau ) = structure grillagée caractéristique de certaines transporteurs de

la membrane plasmique


5.2.5. Structures secondaires et pathologie : exemple du prion

La protéine du prion normale est riche en hélices alpha

La protéine du prion pathologique responsable de la maladie de la vache folle est riche en feuillets bêta

Ce changement de structure entraîne l’insolubilité de la protéine pathologique :

L’élimination correcte de cette protéine pathologique devient impossible

La protéine s’accumule dans le cerveau où elle induit une dysfonction des neurones

La protéine anormale = scrapie est infectieuse : Elle induit un changement de conformation des protéines prion normales

De proche en proche les protéines prion normales deviennent pathogènes

5.3. Structure tertiaire des protéines

Structure tertiaire La structure tertiaire est le niveau minimal fonctionnel d’une protéine.

Toutes les protéines possèdent au moins les niveaux de structure primaire, secondaire et tertiaire

La structure tertiaire résulte des interactions entre acides aminés éloignés dans la structure primaire. Les

acides aminés se rapprochent à la faveur du repliement de la structure secondaire

Le repliement de la structure secondaire peut être orienté par la formation de pont(s) disulfure(s) entre

acides aminés cystéine d’une même chaîne. Le repliement de la structure secondaire est ensuite stabilisé par

liaisons faibles :

Entre segments d’une même chaîne

Entre segments de chaînes différentes

Les structures secondaires s’arrangent spécifiquement les unes par rapport aux autres.

Les protéines fibreuses ont la plupart du temps une structure hélicoïdale

Différentes hélices se groupent pour former une sorte de corde

Association de 2 hélices alpha = « coil – coil »

Protofilament = paire de « coil – coil »

Filament = surenroulement de 4 protofilaments

Notion de domaine fonctionnel Divers domaines fonctionnels peuvent être définis dans une protéine complexe

Chaque domaine va posséder une fonction particulière = la connaissance des différents domaines peut

informer sur la fonctionnalité d’une protéine

La résultante de tous ces domaines va conférer des propriétés spécifiques de la protéine

Certaines protéines peuvent avoir plusieurs domaines de fonction :

Domaine d’interaction avec une autre protéine

Domaine d’activité enzymatique…

Toutes les protéines peuvent partager des domaines particuliers. Ainsi, la présence d’un domaine particulier

dans une protéine peut déterminer son appartenance à une superfamille de protéines

Ex : domaine BH des protéines Bcl impliquées dans l’apoptose


5.4. Structure quaternaire des protéines

Structure quaternaire Association d’au moins deux sous-unités le plus souvent par liaisons faibles (éventuellement pont(s)

disulfure(s) entre les sous-unités). On distingue deux types de liaisons :

Isologue : surface de contact entre monomères identique sur chacun des monomères (homodimère)

Hétérologue : surface de contact entre monomères différente sur chacun des monomères

(hétérodimère)

Une sous-unité = une structure tertiaire

Avantage des structures quaternaires pour la cellule = Réduction du rapport surface / volume + association de sites de liaison + coopérativité

La modification séquentielle de la conformation des différentes sous-unités correspond à la coopérativité.

Cette coopérativité est la résultante d’un phénomène générique majeur = l’allostérie qui confère des

propriétés de proche en proche entre les différentes sous-unités. Ainsi, les protéines allostériques ont le plus

souvent une structure quaternaire

L’association entre les différentes sous-unités conditionne l’activité de la protéine. La connaissance précise des zones d’interface aide à comprendre comment fonctionne la coopérativité (si elle existe) entre les différentes

sous-unités

Ex : conception d’inhibiteurs de la transcriptase inverse du VIH, qui bloquent la trimérisation de la

protéine

5.4.1. Exemples du collagène et de l’élastine

Exemple du collagène Hélice simple gauche (structure secondaire) formée par répétition de 3 acides aminés type (Gly – Pro – X)n,

X étant de nature variable

Gly et Pro imposent une rotation répétitive

Nombreux acides aminés atypiques : hydroxy-proline, hydroxy-lysine

Pas de liaisons hydrogène intra-chaîne dans l’hélice gauche

L’hélice gauche est stabilisée par liaisons hydrophobes

Tropocollagène : association de 3 hélices gauches pour former une triple hélice droite (diamètre 15Å, longueur

3000Å)

Stabilisation du tropocollagène : liaisons hydrogène inter-chaînes

Association de molécules de tropocollagène par ponts covalents pour former une fibrille de collagène est

assurée par lysines et hydroxy-lysine

Exemple de l’hélice d’élastine Séquence répétitive (Val – Pro – Gly – Val)n (différente de celle du collagène) qui confère à l’élastine une

structure et des propriétés particulières

Puissante propriétés de déformation


5.4.2. Myoglobine et hémoglobine

Généralités En présence de O2 : extraction de 18 fois plus d’énergie à partir d’une molécule de glucose qu’en absence

d’O2

Existence de protéines de stockage de O2 :

Myoglobine dans le muscle : forte affinité pour O2

Neuroglobine dans les neurones

Cytoglobine dans de nombreuses cellules

Existence d’une protéine de transport de O2 : l’hémoglobine

Toutes ces protéines font partie de la famille des globines : elles ont des structures proches

Le paramètre P50 est représentatif de l’affinité des protéines pour O2

Plus P50 est petite plus l’affinité pour O2 est forte

P50 = pression partielle de O2 telle que 50% de la protéine est saturée en O2

Dans les tissus, la pression en O2 se situe entre 20 – 40mmHg

L’hème Myoglobine et hémoglobine = hétéroprotéines car :

Elles comportent une partie protéique (apoprotéine)

Elles comportent une partie non protéique = un groupement prosthétique = l’hème indispensable

pour l’activité biologique

L’hème se compose de 4 cycles pyrroles liés entre eux

L’hème comporte un atome de fer ferreux Fe2+ capable de lier réversiblement O2. On parle de ferro-myoglobine ou de ferro-hémoglobine

Fe2+ peut faire 6 liaisons de coordination : 4 liaisons de coordination avec l’hème (4 atomes d’azote des 4 cycles pyrroles)

1 liaison de coordination avec l’histidine proximale F8

1 liaison de coordination avec O2

En absence de O2 : Fe2+ se situe un peu au-dessus du plan de l’hème

O2 fait une autre liaison de coordination avec l’histidine distale E7

En présence de O2 : Fe2+ se déplace dans le plan de l’hème

L’oxydation de Fe2+ en Fe3+ (fer ferrique) rend les molécules inactives : On parle de méthémoglobine dans le cas de l’hémoglobine (ou ferri-hémoglobine)

On parle de ferri-myoglobine pour la myoglobine


Myoglobine (hémoprotéine) Hémoglobine (hémoprotéine)

Protéine monomérique

Fixe O2 avec une forte affinité (non modulable)

grâce à l’hème (hémoprotéine)

Forme globulaire (sphérique)

« Semblable » à une sous-unité de l’hémoglobine

Permet le stockage de O2 dans les muscles

P50 = 3mmHg << 20mmHg donc dans les tissus la

myoglobine est saturée en O2 = la myoglobine est

une protéine de stockage de O2 et non pas une

protéine de transport

La fixation de O2 sur la myoglobine suit une

courbe hyperbolique

Protéine complexe = 4 chaînes polypeptidiques

2 sous-unités

2 sous-unités ou ou ou ou

Liées entre elles par des ponts salins =

liaisons ioniques = liaisons faibles

Pas de ponts covalents entre sous-unités

Hémoglobine adulte = HbA1 = 22

exprimée uniquement APRES la naissance

Hémoglobine fœtale HbF = 22 exprimée AVANT et UN PEU APRES la naissance

Fixe O2 avec une affinité modulable = capable de

relarguer O2

Transporte O2 grâce à l’hème (1 hème / chaîne,

transport de 4O2 = 1O2 / hème)

L’hémoglobine est une protéine allostérique :

Courbe de fixation de O2 = sigmoïde

La sigmoïde = existence d’effets coopératifs

= affinité pour O2 modulable = adaptation

au transport de O2

Toujours moins d’affinité pour O2 que la

myoglobine

P50 = 26mmHg >> P50 myoglobine


Mécanisme et régulation de la fixation de O2 sur HbA1 (adulte)

Lors de la fixation de O2, le fer se déplace dans le plan de l’hème : ce mouvement se transmet à l’histidine proximale F8 et donc à l’ensemble de la chaîne polypeptidique (déplacement de proche en proche)

Les déplacements générés sur une sous-unité sont transmis à la sous-unité associée = coopérativité

Hb existe sous deux conformations en équilibre :

R active qui permet de fixer O2 = favorable à la coopérativité

T inactive qui NE PERMET PAS fixer O2 = défavorable à la coopérativité

Les activateurs allostériques favorisent la forme R en se fixant sur la forme R : ils augmentent l’affinité de

l’hémoglobine pour O2

Les inhibiteurs allostériques favorisent la forme T en se fixant sur la forme T : ils diminuent l’affinité de

l’hémoglobine pour O2

O2 a plus d’affinité pour R que pour T : la fixation de O2 sur la forme R déplace l’équilibre vers la forme

R = on considère que O2 est un activateur allostérique de Hb

Activateurs allostériques

O2

La fixation des deux premières

molécules O2 sur les chaînes

détruit le site du 2,3-BPG =

expulsion du 2,3-BPG

Inhibiteurs allostériques H+ : Une diminution du pH diminue l’affinité de Hb pour O2 (H

+ se fixe

sur la forme T donc déplace l’équilibre vers la forme T). Peut se produire

en cas d’acidose

CO2 : Une augmentation de PCO2 diminue l’affinité de Hb pour O2 (Effet

Bohr. CO2 se fixe sur la forme T donc déplace l’équilibre vers la forme T)

2,3-DPG (= 2,3-BPG) :

Intermédiaire de la glycolyse dans les tissus périphériques

Un site de fixation = cavité centrale sur l’hémoglobine = espace

entre les 4 sous-unités (entre les 2 chaînes )

INDISPENSABLE pour les effets coopératifs

Une augmentation de [2,3-BPG] favorise T = faible affinité

pour O2


Fixation de O2 sur HbF (fœtale 22)

HbF a une affinité pour O2 > HbA1 (donc supérieure à l’hémoglobine maternelle)

Donc P50 HbF < P50 HbA1

Ainsi, la capture par HbF de O2 libéré par HbA1 est favorable

Cette différence d’affinité est liée à la plus faible affinité des chaînes

pour le 2,3-BPG

Donc HbF a moins d’affinité que HbA1 pour le 2,3-BPG. Mais HbF

reste allostérique

5.4.3. Deux modèles allostériques

Modèle concerté (Monod – Wyman – Changeux) Modèle séquentiel (Koshland)

Modèle symétrique = modèle « tout ou rien »

Existence d’une forme T en équilibre avec une forme R

O2 se fixe sur la forme R de telle façon que la forme T restante passe totalement sous forme R par déplacement

de l’équilibre entre R et T

Pas d’état intermédiaire entre R et T

Modèle plus proche de la réalité

Quand la première sous-unité fixe la première molécule O2, le déplacement de cette sous-unité

favorise la fixation d’une deuxième molécule O2 sur

la deuxième sous-unité et ainsi de suite

Existence d’états intermédiaires entre la forme R et la forme T

Modèle concerté

Modèle séquentiel

5.4.4. Hémoglobine : modèle pour l’étude des pathologies moléculaires

Exemple type : Drépanocytose : hémoglobine S (HbS) Mutation Glu → Val (codon n°6) chaînes de globine

Lors du passage dans la microcirculation, HbS relargue l’oxygène.

La désoxy-HbS se trouve alors dans une conformation qui favorise la formation d’une poche hydrophobe permettant la formation d’un polymère de désoxy-HbS → les globules rouges prennent une forme en faucille et

perdent une partie de leur caractère déformable

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