Chapitre III: Structure spatiale des protéines III.1. Conformation des protéines. La séquence des acides aminés est déterminée par les gènes.

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1 III.1. Conformation 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?

2 Liaison peptidique et liberté de rotation la liaison peptidique est plane Liberté de rotation possible autour de Cα Angles de rotation phi et psi Diagramme de Ramachandran 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.

3 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. Différence entre liaison covalente et liaison ionique 1 paire d électrons: liaison simple 2 paires d électrons: liaison double 3 paires d électrons: liaison triple Les liaisons covalentes sont les liaisons les plus fortes (en kcal/mole) C-C 82 C-N 70 C-H 99 C-O 84 O-H 110 N-H 94 S-S 63

4 III.2.2. Les liaisons non covalentes Rappels: l eau est polaire, cohésive et solvate les molécules polaires Dans les molécules biologiques, il existe des interactions moléculaires non covalentes facilement réversibles. Ces liaisons sont différemment affectées par la présence de l eau dans les milieux biologiques. Les liaisons hydrogènes Se forment entre molécules polaires Énergie de liaison: 3 à 7 kcal/mole

5 III.2.2. Les liaisons non covalentes Les liaisons électrostatiques Se forment entre molécules chargées Loi de coulomb O CH 2 -C + NH3 -CH 2 - O - 2,8 A00 F= q 1 q 2 r 2 D Affectées par la présence de l eau et des sels 3 à 7 kcal/mole Les interactions de Van der Waals Dépendent de la distance inter-atomique Faibles et moins spécifiques (1 kcal/mole) Forces attractives et répulsives distance Distance de contact de Van der Waals = somme des rayons de Van der Waals

6 III.2.2. Les liaisons non covalentes Les interactions hydrophobes Se réfèrent à l association de composés nonpolaires dans un milieux aqueux Liées au fait que l eau se lie fortement à ellemême Ces 4 types de liaisons faibles agissent en parallèle pour déterminer et stabiliser la forme d une protéine.

7 III.3. Les 4 niveaux d organisation structurale De la séquence au repliement primaire secondaire tertiaire quaternaire Enchaînement des acides aminés. Liaison covalente Repliement localisé de la chaîne peptidique Liaison non covalente Organisation complète de la chaîne peptidique Liaisons non covalentes et covalente Structure globale d un complexe multimèrique Liaisons non covalentes

8 III.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

9 III.4.1. L hélice alpha C-terminal Φ = - 57 Ψ = - 47 C-ter Liaison hydrogène résidus n et n+4 Pas de l hélice: 3,6 résidus 5,41 A Hélice gauche Hélice droite N-ter N-terminal L hélice droite est la structure secondaire la plus répandue. L hélice gauche est très rare dans les protéines

10 III.4.1. L hélice alpha Hélice α a un moment dipolaire Les chaînes latérales sont situées à l extérieur de l hélice Vue de dessus Hélices amphipathiques

11 III.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

12 III.4.2. Les feuillets bêta Feuillet de 4 brins anti parallèles Feuillet de 4 brins parallèles Φ = Ψ = Φ = Ψ = + 113

13 III.4.2. Les feuillets bêta Représentation schématique des feuillets C-ter antiparallèle N-ter parallèle Feuillet β mixte de la thiorédoxine d E. coli Légère torsion droite des brins bêta dans les 3 types de feuillets

14 III.4.3. Les boucles et les tours 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 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 Type II Type II

15 Les angles phi et psi caractérisent les structures secondaires Structure Φ Ψ β antiparallèle β parallèle Hélice α droite Hélice Hélice π PolyPro I PolyPro II PolyGly II 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. Si conformation ne correspond à aucune structure secondaire conformation en pelote statistique ou «random coil»

16 III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples α-kératine Composée presque exclusivement d hélice α Chez vertébrés, composant principal des phanères (cheveux, poils, fourrure, bec, ongles, griffes, sabots) 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 X2 Hélice α R 1 et 4 (sur 7) hydrophobes Microfibrilles ponts S-S réticulées par des Macrofibrilles plus ou moins rigides

17 III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples 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: tropocollagène 3 hélices gauches enroulées en torsade droite Collagène riche en glycine (1/3) et en proline (1/4) Présence d hydroxyproline et d hydroxylysine (posttraductionnelle) 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 microfibrille Liaisons H Liaisons allys/lys allys/allys

18 III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples collagène 5 types de collagène 2 types d hélices α 1 et α 2 avec propriétés différentes Motif répété (Gly-X-Y)n avec X souvent Pro Stabilisation - par liaisons H intermoléculaires entre hélices tropocollagène (gly et pro) - liaisons covalentes inter et intra superhélices entre résidus lysine modifiée et lysine Pas de cystéine, pas de ponts S-S Chaîne α1 du collagène de rat

19 III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples 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.

20 III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples Elastine 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 Coude bêta

21 III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques

22 III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques Structure de la myoglobine: Différentes représentations schématiques construites par ordinateur à divers degrés de simplification.

23 III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques Les feuillets bêta sont souvent représentés par des diagrammes topographiques.

24 III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques Les motifs de structure supersecondaire

25 III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural III.5.2. Les motifs α - α Motif liant l ADN Motif liant le calcium

26 III.5.2. Les motifs α - α Hélice-boucle-hélice liant le calcium Motif EF Troponine C

27 III.5.2. Les motifs α - α 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 10 pb ADN-B

28 III.5.2. Les motifs α - α Hélice-tour-hélice liant l ADN Facteurs procaryotes Cro Represseur trp Fragment ci Fragment Cap

29 III.5.2. Les motifs α - α Hélice-tour-hélice liant l ADN 10 pb ADN-B Dimère Cro Sites de liaison de Cro dans l opérateur du phage lambda Motif de Cro lié à l ADN

30 III.5.2. Les motifs α - α Hélice-tour-hélice liant l ADN Répresseur opéron tryptophane Répresseur inactif Répresseur actif

31 III.5.2. Les motifs α - α Autres motifs alpha-alpha liant l ADN Homéodomaine Classe particulière de protéines hélice-tourhélice Fermeture éclair à leucine 1 résidu sur 7 Hélice-boucle-hélice

32 III.5.3. Les motifs β β épingle à cheveux bêta Inhibiteur de la trypsine bovine Erabutoxine

33 III.5.3. Les motifs β β Clé grecque Motif «clé grecque» Nucléase de staphylococcus Formation du motif

34 III.5.4. Les motifs mixtes β α β Impliquée dans la formation de sites actifs ou de sites de liaison Pas de fonction reconnue

35 III.5.4. Les motifs mixtes β α β 2 conformations possibles Droite Gauche

36 III.5.4. Les motifs mixtes β β α Motif doigt de Zinc

37 III.6. La structure tertiaire: notion de domaine La chymotrypsine est formée de 2 domaines

38 III.6. La structure tertiaire: notion de domaine Un ou plusieurs domaines Domaine liant le Calcium Domaine de Kringle

39 III.6. La structure tertiaire: notion de domaine Les domaines sont des unités structurales et fonctionnelles

40 Chapitre III: Structure spatiale des protéines III.6. La structure tertiaire: notion de domaine Domaine unique du cytochrome b562 Domaine de liaison au NAD de la lactate déshydrogénase Domaine variable de chaine légère d Ig Trois domaines protéiques différents

41 III.6. La structure tertiaire: notion de domaine

42 III.7. La structure quaternaire