Molécules du Vivant 3- Protéines

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1 Molécules du Vivant 3- Protéines Polymères d acides aminés 1 Rôles des protéines Catalyseur enzymatiques Transport et stockage o Hˇm oglobine transporte l'oxyg ne dans les ˇ rythrocytes o Myoglobine transporte l'oxyg ne dans les muscles o Ferrine stocke le fer dans le foie Mouvements coordonnˇ s Supports mˇ caniques o Collag n e : os, peau o Actine, myosine : cytosquelette Transmission de l'influx nerveux o Rhodopsine : protˇ ines photorˇce ptrices o Acˇt ylcholine : aux niveaux des synapses Protection immune Contr le de l'expression et de la diffˇ rentiation É 2

2 LES PROTEINES Polymères d acides aminés R R R chaîne latérale variable 3 20 acides aminés Alanine Code à 1 ou 3 lettres 4

3 5 6

4 LES QUATRE NIVEAUX D ORGANISATION Structure secondaire Structure tertiaire Structure quaternaire 7 FORMATION DE LA LIAISON PEPTIDIQUE NH 3 + COO - Une des extrémités de la chaîne comporte un NH3 + terminal, l autre extrémité un COO - Les chaînes polypeptidiques sont toujours représentées dans le sens NH 3 + COO - Résidu 8

5 STRUCTURE SECONDAIRE 9 Le groupe peptidique est une structure plane rigide Limitant les seules possibilités de rotations autour du carbone α 10

6 L interférence stérique entre l oxygène du carbonyle et l hydrogène de l amide de résidu adjacent empêche la possibilité de la conformation Φ = -60, Ψ = Toutes les conformation du squelette peptidique ne sont pas également probables Le groupe cis-peptidique Diagramme de Ramachandran Poly alanine (R = CH 3 ) Les régions où les angles φ et ψ sont "normalement autorisés" sont ombrées en bleu, les régions ombrées en vert correspondent à des conformations limites. Les symboles en rouge indiquent des structures particulières dont certaines seront étudiées plus loin. 12

7 Des motifs de repliement commun se retrouvent dans des chaînes protéiques différentes Hélice droite Φ = -57. Ψ = -47 N = 3,6 résidus par tour Pas = 5,4 Å La myoglobine de cachalot est une succession de régions sous forme d hélice α LIAISON H 13 Différents types d'hélices possibles. Le premier nombre (ex : 2.2) indique le nombre de résidus par tour, le second, le nombre d'atomes (y compris H) se trouvant dans la boucle fermée par la liaison hydrogène. Hélice α : hélice 3, hélice π : hélice 4,4 16. L'hélice α est un élément de structure secondaire classique aussi bien dans les protéines fibreuses que dans les protéines globulaires. Dans ces dernières, l'hélice α comporte en moyenne environ 12 résidus, cependant on observe des hélices α qui ont jusqu'à 53 résidus. Le Ruban 2,2 7 n'a jamais observé. Les hélices 3 10 et π placent les angles dans des régions légèrement "interdites" du diagramme de Ramachandran. L'hélice 3 10 apparait le plus souvent comme un simple tour qui relie l'extrémité d'une hélice 14 α et la région adjacente d'une chaîne. L'hélice π n'est que rarement observé et seulement comme segments d'hélices plus longues.

8 Les feuillets plissés β β antiparallèle en haut, β parallèle en bas LIAISON H 15 Les feuillets ß parallèles semblent moins stables que les feuillets ß antiparallèles. Les feuillets ß des protéines globulaires font invariablement un tour de pas à droite. Dans les protéines globulaires, le nombre de segments peptidiques par feuillet ß est compris entre 2 et 5. Les chaînes polypeptidique dans un feuillets ß peuvent avoir jusqu'à 15 résidus de long. 16

9 Tant dans un feuillet β, que dans une hélice α parfaite, toutes les liaison C=O et toutes les liaison N-H de la liaison peptidique sont impliquées dans des liaison H. Domaine de 115 acides aminés D une molécule d immunoglobuline 17 Coude β («β-turn») Les coudes β (appelés ainsi car qu il relient souvent plusieurs segments successif de feuillets β antiparallèles) font intervenir le plus souvent 4 résidus successifs. Ils se trouvent en général à la surface de la protéine 18

10 Ponts disulfure (ponts S-S) xxx Insuline Formation d'une liaison covalente (Cystine) entre les chaînes latérales de deux Cystéines voisines 19 STRUCTURE TERTIAIRE 20

11 Structure tertiaire des protéines Disposition tridimensionnelle, c'est à dire l'enroulement de ses éléments à structure secondaire, ainsi que les dispositions spatiales de ses chaînes latérales. Les résidus d'acides aminés ont tendance à se regrouper selon leur polarité : Les résidus non polaires se trouvent préférentiellement à l'intérieur de la protéine, à l'abri du solvant aqueux, Les résidus polaires chargés sont localisés à la surface. Les résidus polaires non chargés peuvent se trouver aux deux endroits, mais, s'ils se trouvent à l'intérieur, ils forment des liaisons hydrogène avec d'autres groupes protéiques. L'intérieur d'une molécule de protéine ressemble à celui d'un cristal d'une molécule organique par son degrés de compaction. Myoglobine de cachalot : Le groupe hème (violet), lié à la protéine, est complexé à un atome d'oxygène (orange) 21 Les polypeptides de grande taille forment des domaines Les chaînes polypeptidiques de plus de 200 résidus environ s'organisent généralement en deux blocs (ou plus) qu'on appelle des domaines, qui confère à ces protéines une forme bi- ou multilobée. Par exemple, chaque sous unité de la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (ci-contre) présente deux domaines distincts. Une chaîne polypeptidique a un certain degrés de liberté à l'intérieur d'un domaine, mais des domaines voisins sont généralement réunis par un, éventuellement deux, segments polypeptidiques. Les domaines sont donc des unités structurellement indépendantes qui ont chacune les caractéristiques d'une petite protéine globulaire. 22

12 Les 8 groupes de structures Hélice-tour-hélice Le motif se lie dans le grand sillon La seconde hélice α est souvent l'hélice de reconnaissance En général, chez les procaryotes fixations d'homodimères sur des séquences palindromiques

13 "DOIGTS DE ZINC" un motif de liaison à l'adn Les facteurs de transcription des eucaryotes ont une variété de motif de liaison à l'adn comme les motifs en doigts de zinc. L'ion Zinc est lié de façon tétraédrique par les résidus Cys ( ) et His ( ) invariants. Les résidus des acides aminés conservés sont aussi indiqués. Les boules grises représentent les chaînes latérales probables se liant à l'adn. Le motif est souvent répété en tandem. 26 Doigt de Zinc Un motif à doigt de Zinc Cys 2 His 2. Les Cys (C) et His (H) invariantes et liées au Zn sont indiquées. Les résidus impliqués dans une reconnaissance spécifiques sont représentés par un carré. Le n représente la position de l'acide aminée dans l'hélice. On peut aussi ajouter l'acide aminé en position 2. Les protéines à doigt de zinc ββα représentent les individus les plus nombreux de la famille et plus d'un millier de motifs distincts ont été identifiés dans les facteurs de transcription. La structure du doigt est caractérisée par un court segment de 2 brins en feuillet β antiparallèles suivi d'une hélice α.

14 FERMETURE ECLAIR A LEUCINE Protéine GCN4 de levure : Résidus positifs en jaune, négatifs en rouge, polaires en bleu, hydrophobes en vert. Deux motifs vus de leurs extrémités N- terminale. Les résidus qui forment des ponts ioniques sont reliés par des pointillés. Notez que tous les résidus en d et d' sont leucine, ceux en a et a' sont essentiellement valine et les autres sont principalement polaires. FERMETURE ECLAIR A LEUCINE Structure aux RX de la région GCN4 bzip associée à sa cible ADN 19 paires de bases d'adn Les deux sous unités identiques contiennent chacune une hélice a continue de 52 résidus. A leurs régions basales (en vert) elles se séparent progressivement pour s'engager, chacune, dans le grand sillon de l'adn, au niveau de leur séquence cible.

15 STABILITE DES PROTEINES Structure des protéines natives à la limite de la stabilité en raison d'un l'équilibre précaire entre les différentes forces non covalentes auxquelles elles sont soumises : Forces électrostatiques : Interactions ioniques relativement peu importante à cause de la solvatation, Interactions dipôle-dipôle (force de van der Waals) sont faibles mais stabilisent significativement la structure des protéines. Forces de liaisons hydrogène (cas particulier de forces électrostatiques), Interactions Hydrophobes, Ponts disulfures. 30 STRUCTURE QUATERNAIRE Dimère formé de 2 sous unités protéiques identiques - protéine CAP 31

16 L hémoglobine à une composition en sous-unités α 2 β 2. Protéine ayant des sous-unités identiques = oligomères ou protéines oligomériques et ces sous-unités identiques des protomères. Un protomère peut donc être constitué d une chaîne polypeptidique ou de plusieurs chaînes polypeptidiques différentes. Structure quaternaire de Selon cette définition, l hémoglobine est un dimère (oligomère de deux protomères) de protomères αβ. l hémoglobine α 2 β 2 α 1 : jaune α 2 : vert β 1 : bleu pâle β 2 : violet Les zones de contact entre sous-unités sont très semblables à l intérieur d une protéine à une seule sousunité. Elles contiennent des chaînes latérales non polaires regroupées, des liaisons hydrogène impliquant le squelette polypeptidique et leurs chaînes latérales, et, dans certains cas, des ponts disulfures intercatainaires. 32 Quelques tailles et formes possibles d'une molécule protéique de 300 résidus d'acides aminés 33

17 Masse molaires de quelques protéines 34 La forme d une molécule protéique est déterminée par sa séquence des acides aminés 35

18 DYNAMIQUES Dans des conditions de renaturation, beaucoup de protéines natives se replient pour prendre leurs structures natives en quelques secondes. Même si la structure primaire d'une protéine ordonne sa structure tertiaire, beaucoup de protéines ont besoin de protéines auxiliaires pour se replier/s'assembler et acquérir leurs structure natives (par exemple : chaperonnes moléculaires). Les chaperonnes moléculaires empêchent des repliements incorrects et l'agrégation des protéines. Structure de la protéines PapD d' E.coli, une protéine chaperonne dont le rôle est d'assurer l'assemblage correct des pili. Les protéines sont des molécules souples et fluctuantes dont les mouvements de groupe ont des périodes caractéristiques de à plus de 10 3 s, les extrémités étant plus mobiles que l'intérieur. Des analyses théoriques de la mobilité suggèrent que les structures natives sont formées chacune d'un grand nombre de sous-états très proches et qui s'intervertissent rapidement, avec des stabilités pratiquement identiques. Mouvements internes 36 de la myoglobine Fluorescence des acides aminés aromatiques 37

19 Effet de l'environnement du tryptophane sur les spectres de fluorescence : (1) apoazurine, (2) ribonucléase, (3)nucléase de Staphylocoque, (4) glucagon. 38