Chapitre 5. L exemple des protéines motrices : actine, myosine et les autres...

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1 Chapitre 5. L exemple des protéines motrices : actine, myosine et les autres Corréler les structures anatomique et histologique à la composition biochimique 5.2. Comprendre le mécanisme de transformation d énergie chimique en énergie mécanique 5.3. Etudier un exemple de régulation de l activité des protéines par leur environnement

2 Chapitre 5. L exemple des protéines motrices : actine, myosine et les autres... (Z) Corréler la structure anatomique à la composition biochimique Comprendre le mécanisme de transformation d énergie chimique en énergie mécanique Etudier un exemple de régulation de l activité des protéines par leur environnement

3 Chapitre 5. L exemple des protéines motrices : actine, myosine et les autres... (Z)

4 5.1. Corréler les structures anatomique et histologique à la composition biochimique (2) (L) La structure d un sarcomère en microscopie électronique montre l existence de filaments fins et épais Myofibrille au repos Bande I Bande A Bande I Ligne Z Zone H Ligne Z 1µm Myofibrille contractée fins fins épais épais fins épais fins

5 5.1. Corréler les structures anatomique et histologique à la composition biochimique (3) (L) Les filaments fins sont principalement composés d actine. Les filaments épais sont principalement composés de myosine Un filament d actine est un polymère constitué de sous unités (monomère) Les molécules de myosine sont regroupées en faisceaux desquels émergent des «ponts»

6 5.1. Corréler les structures anatomique et histologique à la composition biochimique (4) (L) Un modèle simple permet de corréler les données anatomique et biochimique Les filaments fins d actine «coulissent» sur les filaments épais de myosine Les lignes (disques) Z sont principalement composés d une protéine particulière la myomésine Dans le muscle, de très nombreuses unités (sarcomères) sont juxtaposées

7 5.2. Comprendre le mécanisme de transformation d énergie chimique en énergie mécanique (W) Les filaments d actine (microfilaments) sont composés de polymères d actine globulaire Le monomère d actine, actine G (43 kda), contient une molécule d ATP et un ion Ca 2. Le monomère d actine est composé de deux domaines. Chaque domaine présente plusieurs types de structures secondaires Hélices alpha feuillets béta coudes et boucles

8 La myosine musculaire est une protéine complexe de très grande taille (1) (L) 2 hélices α Super-enroulées N-terminal chaînes légères tête C-terminal queue

9 La myosine est une protéine complexe de très grande taille (2) (L) La myosine (520 kda) est une protéine polymérique composée de deux chaînes lourdes (220 kda) et de deux paires de chaînes légères (20 kda chacune) La digestion enzymatique de la myosine permet l étude de sa structure et de ses fonctions La méromyosine légère isolée est capable de former des filaments mais ne se combine pas à l actine La méromyosine lourde isolée est capable de se lier à l actine, d hydrolyser l ATP, mais pas de former des filaments La méromyosine lourde est clivée en deux fragments par la papaine S2 et S1 ou tête de la myosine

10 La «tête» de la myosine (S1) est responsable de l activité motrice (L) La myosine est une ATPase qui catalyse la réaction qui produit de l énergie : ATP H 2 O ADP Pi H ATP L hydrolyse de l ATP entraîne un changement conformationnel (bras de levier) ADP Pi 10 nm Chaînes légères

11 L interaction de la myosine (S1) avec l actine est réversible et dépend de la fixation de l ATP et de l activité ATPase (L) Le mouvement de bras de levier de la tête de la myosine peut être transmis au filament d actine tête de la myosine filament d actine

12 La coordination de l hydrolyse de l ATP, du changement conformationnel et de la fixation à l actine permet le mouvement : le cycle actine-myosine est une superbe mécanique (A) ATP ADP Hydrolyse de l ATP 3 Pi

13 5.3. Etudier un exemple de régulation de l activité des protéines par leur environnement (S,W) Comment contrôler la contraction musculaire? Il existe un complexe de protéines régulatrices : la troponine et la tropomyosine fixé sur les filaments d actine : notion d'édifice macromoléculaire la troponine est une protéine sensible aux ions Ca 2. Elle change de conformation en présence de Ca 2 et la tropomyosine est déplacée. Troponine C T I Ce déplacement permet la fixation de la myosine Actine Tropomyosine C = calcium binding T = tropomyosin binding I = inhibitory La contraction musculaire est donc sous le contrôle direct de la concentration en ions Ca 2

14 5.3. Etudier un exemple de régulation de l activité des protéines par leur environnement (W) La mécanique moléculaire de la contraction musculaire est hautement contrôlée à l échelle cellulaire Influx nerveux Canal Ca 2 sensible au voltage Influx de Ca 2 Sécrétion d acetylcholine Membrane plasmique Tubule T protéine sensible au voltage Z Na Na Z Canal Na couplé actine myosine Protéines régulatrices REL Canal Ca 2 Myocyte

15 5.3. Etudier un exemple de régulation de l activité des protéines par leur environnement (W) La mécanique moléculaire de la contraction musculaire est hautement contrôlée à l échelle cellulaire Influx nerveux Canal Ca 2 sensible au voltage Influx de Ca 2 Sécrétion d acetylcholine Membrane plasmique Tubule T protéine sensible au voltage Z Na Na Z Canal Na couplé actine myosine Protéines régulatrices REL Canal Ca 2 Ca 2 ATPase Myocyte

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17 Chapitre 6. Faisons le point sur la structure des protéines 6.1. Structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires 6.2. La notion de domaine fonctionnel est essentielle 6.3. Les éléments de bases des structures secondaires, tertiaires et quaternaires 6.4. L hélice alpha et les autres hélices 6.5. Feuillets béta 6.6. Boucles et coudes 6.7. Les structures super-secondaires sont des motifs retrouvés dans de nombreuses protéines 6.8. Les éléments de bases des protéines : les acides aminés

18 Chapitre 6. Faisons le point sur la structure des protéines 6.1. Structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires (L,W) Nous avons déjà rencontré plusieurs protéines de structures très diverses Les immunoglobulines L hémoglobine La myoglobine L actine G

19 6.1. Structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires (L) Toutes les protéines contiennent ces types de structures et l on peut généraliser. On appelle Structure quaternaire... Structure tertiaire Structure secondaire Hélice alpha coude Feuillet béta l organisation complexe d une protéine multimérique (au moins dimérique) : hémoglobine immunoglobulines actine F l organisation interne d une protéine monomérique (ou d une sous-unité) actine G myoglobine chaîne lourde de la myosine les motifs structuraux de base : hélice alpha, feuillet béta, tours et coudes

20 6.1. Structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires (A) La séquence des acides aminés (structure primaire) détermine la structure tridimensionnelle Une structure primaire donnée conduit à une structure tridimensionnelle donnée La séquence des acides aminés (structure primaire) est déterminée par les gènes structure primaire structure tridimensionnelle Liaisons hydrogènes Résidus hydrophobes Résidus hydrophiles Cœur hydrophobe extérieur hydrophile

21 6.2. La notion de domaine fonctionnel est essentielle (A) Au cours de l évolution des structures essentielles pour la réalisation d une fonction spécifique ont été conservées, même si les protéines ont divergé. Exemple : séquences de deux protéines «homéobox» ayant divergé depuis un milliard d années Hélice 1 Hélice 2 Hélice 3 Identité : 17 aa conservés sur 60 = 20% Ces deux protéines conservent cependant une structure spatiale proche. Les mutations n ont pas affecté les résidus importants pour la structure spatiale La délétion de certain résidus conduit à la suppression d une boucle qui conduit à son tour à modifier les propriétés de la protéine d une espèce par rapport à l autre Hélice 2 Hélice 1 C est la notion de domaine fonctionnel. Hélice 3

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23 La coordination de l hydrolyse de l ATP, du changement conformationnel et de la fixation à l actine permet le mouvement : le cycle actine-myosine est une superbe mécanique (A) 1 5 ATP ADP 2 4 Hydrolyse de l ATP 3 Pi