Partie « Protéiness89495e38b4547860.jimcontent.com/download/version/1380829965/... · Cas...

Partie« Protéines »

L3 CBPS Biochimie Structurale

Ce symbole signifie que la diapositive est disponible dans

le fascicule de cours.

L3 CBPS Biochimie Structurale Protéines


I- RAPPELS : STRUCTURES ET PROPRIÉTÉS DES ACIDES AMINES

1- Structures des acides aminés

a- Acido-basicité

II- NIVEAUX DE STRUCTURE DES PROTEINES

2- Propriétés physico-chimiques

LE PLANA- RAPPELS DE L1

Introduction

b- Hydrophobicité / Propriétés spectrales

INTRODUCTION

Les protéines sont des macromolécules de type polymère, le monomère étantl’acide aminé.

Dans les cellules des eucaryotes supérieurs, cette quantité dépassecertainement les 25000 (on estime que chez l’Homme, le protéome totalcomprendrait 1 à 2 105 protéines différentes).

Chaque protéine a une structure déterminée génétiquement et donc possèdeune « taille » prédéfinie.

La « taille » et/ou la structure chimique d’une protéine peut être modifiéeaprès traduction (modification post-traductionnelle).


Le protéome (terme inventé en 1994 par Mark Wilkins Université Macquarie-Sydney)est l'ensemble des protéines produites par un génome dans desconditions données, à un moment donné.

La structure secondaire correspond aux structures spatiales régulières (hélices α,feuillets β etc…).

La structure tertiaire concerne l’arrangement dans l’espace des structuressecondaires : position dans l’espace de chaque atome.

La structure primaire est la structure chimique (covalente) : quels acides aminés etdans quel ordre.

La structure quaternaire est une association de structures tertiaires : certainesprotéines existent sous forme de complexes comportant plusieurs sous-unités.

INTRODUCTION


structure secondaire

structure tertiaire

structure primaire

structure quaternaire

protéomique

biologiestructurale

INTRODUCTION





a- Acido-basicité



A- RAPPELS DE L1

Introduction


Cα

COOH

H2N H

RLe carbone appelé α porte la fonction acide carboxylique et la fonction amine.

Cette forme de l’acide aminé n’existe pas.


+H3N

A pH faible, la forme doublement protonée de l’acide aminé est prépondérante.

Cα

COOH

H

R


HO -

O+ NH3

α

O -H

O+ NH3

α

H2NO

O -

O+ NH3

α

HO -

O

α

N

H H

+

O -

O+ NH3

α O

NH2

H

H

O -

O+ NH3

α

N

NH

+

H

O -

O+ NH3

α

HH

O -

O

α

+ NH3

H

O -

O

α

+ NH3

+ NH3

H

O -

O+ NH3

α O -

O

H

HO -

O+ NH3

α

- OO

O -

O+ NH3

α

SHH

O

O -+ NH3

α

HOHH

O -

O+ NH3

α

N HH

O -

O+ NH3

α

OHH

O -

O+ NH3

α

H

O -

O+ NH3

α

OH

H

O -

O

α

+ NH3

H

+ NH3

α

S

O -

O

H

O -

O+ NH3

α

NH

NH2H2N

H

+

Alanine(Ala, A)

Arginine(Arg, R)

Asparagine(Asn, N)

Aspartate(Asp, D)

Cystéine(Cys, C)

Glutamate(Glu, E)

Glutamine(Gln, Q)

Glycine(Gly, G)

Histidine(His, H)

Isoleucine(Ile, I)

Leucine(Leu, L)

Lysine(Lys, K)

Méthionine(Met, M)

Phénylalanine(Phe, F)

Proline(Pro, P)

Sérine(Ser, S)

Thréonine(Thr, T)

Tryptophane(Trp, W)

Tyrosine(Tyr, Y)

Valine(Val, V)

SERIE L



CHO

HC

CH2OH

HO α

SERIE L

L-glycéraldéhyde

1

2

3

4

L-α aminoacide

1

2

3

4COOH

HC

R

H3N+

α

COOH

HC

R

H3N+

α

α

CO N

R

H 12

4

3

S

Cahn-Ingold-Prelog

N

R

CO1 2

3

4

Symbole Code 3 lettres Nom

A Ala AlanineC Cys CystéineD Asp AspartateE Glu GlutamateF Phe PhénylalanineG Gly GlycineH His HistidineI Ile IsoleucineK Lys LysineL Leu LeucineM Met MéthionineN Asn AsparagineP Pro ProlineQ Gln GlutamineR Arg ArginineS Ser SérineT Thr ThréonineV Val ValineW Trp TryptophaneY Tyr Tyrosine





a- Acido-basicité



A- RAPPELS DE L1

Introduction


Les fonctions acide carboxylique et amine libèrent ou fixent un proton selon le pHdu milieu environnant.

COOH COO- + H+

Constante d’équilibre Ka =[H+] x [COO-]

[COOH]1 1

[COOH]

[COO-]

[H+] Ka

= x

1 1

[COOH]

[COO-]

[H+] Ka

= +log log log

pH = pKa +[COOH][COO-]

log

fonction acide


pH = pKa +[COOH][COO-]

log

Équation d’Henderson- Hasselbalch

Il s’agit d’une fonction mathématique décrivant une sigmoïde.


Ceci est également valable pour la fonction α-amine.Cette fonction est dite basique puisqu’elle ne libère son proton que pourdes pH élevés.

NH3+ NH2 + H+

Constante d’équilibre Ka =[H+] x [NH2]

[NH3+]

Équation d’Henderson- Hasselbalch

pH = pKa + log[NH2][NH3

+]

fonction amine


A quoi correspond le pKa d’une fonction α-amine ?

Le pKa est une constante intrinsèque d’une fonction chimique dans desconditions de températures standards qui renseigne sur la capacité de la fonctionà rester protonée à un pH donné.

pH = pKa + log[NH2][NH3

+]


Cas particulier où pH = pKa

Log = 0[NH2][NH3

+]

= 1[NH2][NH3

+]

=[NH2] [NH3+]

Plus la valeur de pKa est faible plus la fonction est dite « acide » et plus la valeurde pKa est élevée et plus la fonction est dite « basique ».

pH

Vol. Base forte

pKa

≈ 2-3 ≈ 9-10

pH

Forme majeureà pH 1

Forme majeure à pH 7

Forme majeure à pH 11

Cα COOHNH3

+

HR

Cα COO-

NH3+

HR

Cα COO-

NH2

HRpKa1 pKa2

50/50 50/50


-COOH -COO- + H+

-COOH -COO- + H+

-NH3+ -NH2 +

H+

-NH3 + -NH2 + H+

-SH -S- + H+

OH O- + H+

-N-C -N-C + H+

NH2+

NH2

H H NH

NH2

-CH2- -CH2-N

+ H+

acide carboxylique

terminal

acide glutamique et

aspartique

histidine

amine terminale

cystéine

tyrosine

lysine

arginine

2 - 3

3 - 4,5

6

7 - 8,5

8,5 - 9,5

10 - 11

10 - 11

12

Groupe acide base + H+ pKa

+HN NH NH

Dans une protéine, peut varier selon le

microenvironnement entre 3 et 9





a- Acido-basicité



A- RAPPELS DE L1

Introduction


Ces acides aminés sont chargés.

Ce groupe d’acides aminés est ditpolaire.

Ces 4 acides aminés sont ditsneutres.

De par leur composition chimique,certains acides aminés ont tendanceà éviter le contact de l’eau.

++

-

-

Échelle d’hydrophobicitéselon Kyte et Doolittle (1982)

Journal of Molecular Biology 157, 105-132

IsoleucineValine

LeucinePhénylalanine

CystéineMéthionine

AlanineGlycine

ThréonineTryptophane

SérineTyrosineProline

HistidineGlutamateGlutamineAspartate

AsparagineLysine

Arginine

4,54,23,82,82,51,91,8

4,44,24,52,51,91,93,9-

-

-

Indexhydrophobicité

transfert

(eau-vapeur)kcal/mol

Nom

IsoleucineValine

LeucinePhénylalanine

CystéineMéthionine

AlanineGlycine

ThréonineTryptophane

SérineTyrosineProline

HistidineGlutamateGlutamineAspartate

AsparagineLysine

Arginine

4,54,23,82,82,51,91,8

4,44,24,52,51,91,93,9-

-

-

ΔG°transfert

-0,6-0,9-0,8-1,1

-4,2-3,9-3,5-4,5-3,8-3,2

-0,7-0,9-0,8-1,3-1,6-3,2-3,5-3,5-3,5-3,5-3,9-4,5

-0,4


Hydrophobicité

Solutions de tryptophane, tyrosine et phénylalanine à 1 mM

CysS-S 248 345

TrpTyrPhe

278275258

56001340 195

λmax (nm) ε (M-1.cm-1)

-C-NH-OHis

<200

211

Propriété spectrales : absorption U.V.-visible

On détecte très souvent la présence de protéines dans un milieu par mesure del’absorbance à 280 nm.


220 240 260 280 3000

1

2

3

4

5

6

Longueur d’onde (nm)

Abs

orba

nce

Trp

Tyr

Phe

220 240 260 280 3000

1

2

3

4

5

6

220 240 260 280 3000

1

2

3

4

5

6

1- Liaison peptidique et structure primaireII- NIVEAUX DE STRUCTURE DES PROTEINES

2- Structure secondairea- Définition des angles dièdres Φ et Ψb- Diagramme de Ramachandranc- Description des hélices α, feuillets β et plis β


A- RAPPELS DE L1

4- Exemples de structures quaternaires5- Modifications post-traductionnelles

a- Protéolyseb- Modifications chimiques

3- Structure tertiairea- Exemplesb- Notion de domainesc- Ponts disulfured- Les IDP

Rappel de chimie

R-C-N-R’ + H2OO H

R-COO -

acidecarboxylique

+ R’-NH3+

amine

liaison peptidique

amide

+H3N-C-CH

O-

O

R

+H3N-C-CH

O-

O

R’

+

+H3N-C-CH

O-

O

R

+H3N-C-CH

O-

O

R

+H3N-C-CH

O-

O

R’

+H3N-C-CH

O-

O

R’

+H2OH2O

+H3N-C-C-N-C-CH

O-

O

R

H

R’

H

O

+H3N-C-C-N-C-CH

O-

O

R

H

R’

H

O

Les acides aminés sont des molécules bifonctionnelles.

cis ou trans


Liaison peptidique

La liaison peptidique est très stable (> ester).

L’hydrolyse nécessite des conditions drastiques : HCl 6N, 110°C, 24h.

Ala-Ser-Gly-CysN-terminal C-terminal

+ NH3- C - C - N - C - C - N - C - C - N - C - C H

CH3

H

CH2OH

H

H

H

CH2SH

O

H

= O

H

= O

H

=

O -

O

alanylsérylglycylcystéine


Une protéine de 50 résidus aura donc une masse moléculaire de 50 x 115 =5750 Da ou 5,75 kDa.La masse molaire de la protéine sera 5750 g/mole et son poids moléculairesera 5750.

Une protéine formée de 50 a.a. est en fait composée de 50 résidus d’a.a. :formation de 49 liaisons peptidiques avec départ de 49 molécules d’eau.

La masse moléculaire moyenne d’un résidu d’a.a. est de 115 Da.

La masse moléculaire d’un a.a. varie entre 75 (glycine) et 204 Da (tryptophane).

Il reste donc des acides aminés déshydratés : des résidus.


Un exemple de peptide d’intérêt

Aspartame : édulcorant alimentaire

acide aspartique

phénylalanine

méthanol

La société Searle (rachetée par Monsanto) en produit 4000 tonnes/an.


+H3N-C-CH

O-

O

R

+H3N-C-CH

O-

O

R’

+

+H3N-C-CH

O-

O

R

+H3N-C-CH

O-

O

R

+H3N-C-CH

O-

O

R’

+H3N-C-CH

O-

O

R’

+H2OH2O

+H3N-C-C-N-C-CH

O-

O

R

H

R’

H

O

+H3N-C-C-N-C-CH

O-

O

R

H

R’

H

O

1

2

La liaison peptidique a les caractéristiques d’une double liaison.

Les six atomes sont dans le même plan de l’espace…


+H3N-C-C-N-C-CH

O-

O

R

H

R’

H

O

+H3N-C-C N-C-CH

O-

O

R

H

R’

H

O

-

δ+

δ-

C

O

HN

αi

1,24Å

unitépeptidique

hydrogène

oxygène

carbone

azote

ωαi+1


αi

ω = 180°

αi+1

La liaison peptidique est plane, en général trans.

αi

unitépeptidique

ωαi+1


αi

unitépeptidique

ωαi+1




A- RAPPELS DE L1




unitépeptidique

ω

α

Φ Ψ

χ1

unitépeptidique

Φ = (C-NH;Cα-C)O O

Ψ = (NH-Cα;C-NH)O

χ = chaîne latérale

χ2

ω


Les résidus d’acide aminé sont indexés en partant du côtéN-terminal : on obtient φi, ψi, χi

j.

On peut définir entièrement la structure d’une protéine en donnant les φi, ψi, χij

(coordonnées internes par opposition aux coordonnées externes : x, y, z dechaque atome dans un repère extérieur).

χ ji

Rang de l’angle

Rang du résidu considéré1, 2, 3 … en partant du N-terminal





A- RAPPELS DE L1




Φ=-60°Ψ=30°α

α

α

AIE! AIE!AIE! AIE!AIE! AIE!


feuillet β

Diagramme Ramachandran (1968)

hélices αde pas gauche

hélices α de pas droit

plus souventmoins souvent


Ψ

Φ

Granulocyte Macrophage Colony Stimulating Factor





A- RAPPELS DE L1




Linus Pauling est le seul homme à avoirreçu seul et par deux fois le prix Nobel.

En 1954, il a reçu le Nobel de Chimie et en1962 le Nobel de la Paix.

Linus Pauling(1901-1994)

En 1951, Pauling et Corey prédisent que les protéines peuventadopter deux types de structures organisées répétitives.


La proportion d’hélice α dans une protéine varie de 0 à 100%.

La kératine de nos cheveux est une protéine en hélice α qui forme une fibreallongée.

En 1957, par diffraction des rayons X, on identifie les hélices α.

D’autres types de structures hélicoïdales ont depuis été identifiés dans denombreuses protéines.


P

d n=4

NN

NN

H H

HHO O

O O

NH

O

ORn

Rn+1 Rn+3 Rn+5

Rn+2 Rn+4

1

23

45

6

7

89

10

1112

1314

15

16

710

13

2,27-hélice 3,010-hélice 3,613-hélice 4.416-hélice

α- helix 310-helix 2,27-band hélice polyprolines

feuillets βantiparallèles

φΨn

d [Å]P [Å]

-57°-47°3,611,505,41

-49°-26°3,002,006,00

-75°70°2,002,805,60

-77°146°3,003,129,36

-140°35°2,003,476,95

nombre de résidus/tour

nombre d’atomes/boucle

HELICE α

d = élévation


HELICE α

3,6résidus


HELICE α

N-term.

C-term.

3,6résidus liaison hydrogène

chaîne latérale


MEMBRANE

bactériorhodopsine(hélices α)

porine(feuillet β)

PROTEINES MEMBRANAIRES

phos

phol

ipid

es

30Å

3 nm / 0,15 nm/a.a. = 20 résidus en hélice α pour traverser.

Si c'est une hélice 310 alors 15 résidus suffisent (0,2 nm entre 2résidus).

Si c'est un feuillet plissé, 8 à 9 résidus suffisent (0,35 nm entre 2résidus).


La fibroïne est une protéine sécrétée par le Bombyx mori (ver à soie) quidonnera le fil de soie. Cette protéine est constituée essentiellement defeuillets plissés β.


Feuillet β parallèle



feuillet β antiparallèle

R2

R 3

R

4

Proline impliquée très souvent

R

1





A- RAPPELS DE L1




La structure tertiaire consiste en une organisation des structures secondairesentre elles.

Cela implique l’apparition de liaisons hydrogène, ioniques, de forceshydrophobes et parfois de ponts disulfure.

La structure tertiaire correspond à la structure tridimensionnelle de laprotéine.

Une structure tertiaire n’est pas une structure figée : elle peut se modifier (setordre, se déformer) sous l’effet de la fixation d’une molécule (ligand) ou sousl’effet de la variation d’un paramètre physico-chimique (pH, température).


myoglobine Green Fluorescent Protein

ACIDES AMINES - PROTEINES




A- RAPPELS DE L1




Il existe plusieurs définitions qui se recoupent partiellement :

- portions de structure que l’on retrouve communes à plusieurs protéines.

- partie d’une protéine capable d’acquérir une structure identique qu’ellesoit isolée ou au sein de la protéine entière (domaine de repliementautonome).

- domaines articulés : dans ce cas la protéine est constituée de deux (ouplus) parties reliées entre elles par une jonction flexible.

- domaines détachables : l’exemple le plus connu est celui desimmunoglobulines ou anticorps.

- domaines fonctionnels : des parties de la protéine présentent unefonctionnalité particulière (activité enzymatique ou fixation d’un ligand).





A- RAPPELS DE L1




Liaison covalente entre atomes de soufre de 2 chaînes latérales de cystéines.

! Toutes les cystéines présentes dans une protéine ne forment pasforcément de ponts disulfure.


Il y a plusieurs manières de connaître la position de ponts disulfure : la plussimple et la plus pratique consiste à utiliser la spectrométrie de masse.

Après coupure protéolytique de la protéine d’intérêt, si dans un peptide un pontS-S existe, il y a perte de 2 unités de masse par rapport à la masse théorique dupeptide d’après sa structure primaire (S-S contre 2 SH).

VLCL

VH

CH1

CH2

CH3

CHARNIERE

Domaine CH1 d'une IgG2A

Pont S-S

H heavy : lourdeL light : légère





A- RAPPELS DE L1





De nombreuses protéines sont fonctionnelles sans toutefois posséder destructures secondaires « classiques » en quantités importantes.

On les appelle les protéines intrinsèquement désordonnées (IDP).

Environ 60% des protéines auraient une partie de leur structure désordonnée.

10-15% des protéines seraient complètement désordonnées.

Les protéines dont la fonction exiged’avoir des partenaires multiples (onparle d’interactome) seraient plusconcernées.

Exemples :les facteurs de transcription, lesprotéines impliquées dans lescascades de régulation…




A- RAPPELS DE L1




La structure quaternaire est l’association de plusieurs chaînes protéiquesidentiques ou différentes.

On obtient donc des homo- (créatine kinase par exemple) ou hétéro-polymères.

Certains hétéro-polymères sont très complexes comme l’ATPasemitochondriale.


Exemple de l’ATPase synthétase mitochondriale


membrane interne mitochondriale

αβ

le plus petit moteur rotatif du monde

biotine

streptavidine

strep-Tag

filament d’actine

plaque en verre + Nickel

Fluorophore


Matrice

Espace intermembranaire



biotine

streptavidine

strep-Tag

filament d’actine

plaque en verre + Nickel

Caméra à 120 images /sec





A- RAPPELS DE L1




Il existe in vivo des cas de modifications post-traductionnelles par délétion d’unepartie de la structure de la protéine.

Exemple : insuline

La maturation de certaines protéines sefait par élimination par protéolyse d’unepartie de la séquence de départ : notionde pro-protéine (pro-insuline, pro-albumine, pro-thrombine…).

S S

S S

S S

SH SH SHSH

SH SH

S - S

S S

S S

SH

SH SHSH

SH SH

préinsuline

insuline

réducteur

protéolyse

S S

S S

S S

SH SH SHSH

SH SH

S - S

S S

S S

SH

SH SHSH

SH SH

préinsuline

insuline

réducteur

protéolyse





A- RAPPELS DE L1




Glycosylations : les asparagines (N-glycosylation) les sérines (O-glycosylation)

Phosphorylations : les thréonines les sérinesles tyrosines

Nitrosylations : les cystéines

Acétylations : amine ε des lysinesacide aminé N-terminal

Amidation : acide aminé C-terminal

Hydroxylations : les prolinesles lysines


Partie « Protéiness89495e38b4547860.jimcontent.com/download/version/1380829965/... · Cas...

Documents

Transcript of Partie « Protéiness89495e38b4547860.jimcontent.com/download/version/1380829965/... · Cas...