Chapitre 6. Faisons le point sur la structure des protéines

Transcription

1 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

2 6.3. Les éléments de base de la structure des protéines La liaison peptidique est le ciment de base de toutes les structures protéiques (1) Rappel : la structure commune de (presque) tous les acides aminés peut s écrire : COOH NH 2 -C-H R R = chaîne latérale COOH = fonction acide NH 2 = fonction amine Le carbone central s appelle Cα La liaison peptidique est une liaison covalente qui se forme par condensation du groupe α-carboxyle (acide) d un acide aminé avec le groupe α-aminé d un autre acide aminé et élimination d eau H α-carboxyle NH 2 -C-COOH + H H N-C -COOH H O NH 2 -C -C H N-C -COOH + H 2 O R 1 H R 2 R 1 H R 2 α-amine liaison peptidique (liaison amide particulière)

3 La liaison peptidique est le ciment de base de toutes les structures protéiques (2) La liaison peptidique est une liaison amide particulière (W) Elle est un «hybride de résonance» entre deux formes extrèmes Première forme extrème La liaison C O est une double liaison La liaison C N est une simple liaison L azote de l amide possède une paire d électrons non partagés Seconde forme extrème La liaison C O est une simple liaison La liaison C N est une double liaison L oxygène de l acide possède une paire d électrons non partagés Forme hybride Les électrons sont partagés entre les atomes O, C et N et sont distribués sur une orbitale moléculaire π qui recouvre les 3 atomes En conséquence, la liaison peptidique possède trois propriétés fondamentales Elle est plane Elle est rigide Elle est polaire

4 La liaison peptidique est le ciment de base de toutes les structures protéiques (3) (W) La liaison peptidique présente des dimensions pratiquement fixes Cα 1,52 A 1,23 A 1,33 A 1,45 A 1,0 A Cα Cα Ψ 121,1 119,5 115,6 Ω 121,9 123,2 118,2 Φ Cα carbone oxygène Chaîne latérale azote hydrogène Il existe cependant 3 angles qui peuvent prendre des valeurs variables : Ω Ψ Φ

5 La liaison peptidique et la nature des résidus amino-acides impose des structures spatiales très particulières aux chaînes polypeptidiques (W) On définit Ω, angle de torsion autour de la liaison C-N. Cet angle ne peut prendre que 2 valeurs Vers le C-terminal Vers le N-terminal Vers le N-terminal Vers le C-terminal Ω = 0 CIS Ω = 180 TRANS La liaison peptidique prend presque toujours une configuration trans, plus stable

6 La liaison peptidique et la nature des résidus amino-acides impose des structures spatiales très particulières aux chaînes polypeptidiques (W) Dans une chaîne polypeptidique, il n existe que deux types de liberté de rotation qui permettent de modifier la conformation spatiale Cα La liberté de rotation de l angle Φ (phi) autour de la liaison entre le Cα et l azote amidique La liberté de rotation de l angle Ψ (psi) autour de la liaison entre le Cα et le groupe carbonyle

7 En pratique, il n existe qu un nombre limité de conformations possibles (W) Graphiques de Ramachandran Ψ Hélice du collagène feuillet β antiparallèle feuillet β parallèle Hélice α gauche Hélice 3 10 Hélice α droite Hélice π Chaîne totalement déroulée Φ

8 Les chaînes polypeptidiques sont constituées d un nombre variable de résidus amino-acides et possèdent une structure spatiale spécifique (W) N-terminal C-terminal Par définition une chaîne polypeptidique commence par l acide aminé qui a sa fonction amine libre (extrémité N-terminale, que l on place à gauche) et se termine par l acide aminé qui a sa fonction acide carboxylique libre (extrémité C-terminale, que l on place à droite.) NB : Par définition on appelle un oligopeptide un enchaînement de quelques acides aminés (de 2 à une dizaine). «Polypeptide» et «protéine» sont pratiquement équivalents. Cependant on réserve généralement le terme polypeptide à des structures de moins de 10 kda.

9 6.4. L hélice alpha et les autres hélices (W, L) L hélice alpha droite est la structure secondaire la plus fréquente Ψ =-47 Φ =-57 C-O pointent vers le haut C-term. hélice gauche hélice droite C-term. N-H pointent vers le bas Liaison hydrogène R4 Liaison Hydrogène R1 R4 R1 1 tour = 3,6 résidus 5,41 A R3 N-term. N-term. R2 13 atomes (1-13) forment une boucle fermée par une liaison H Vue de dessus

10 6.5. Feuillets béta (L) Il existe deux types de feuillet béta : anti-parallèle (plus stable) et parallèle (moins stable). Ψ =+135 Φ =-139 Ψ =+113 Φ =-119 CÅN (brin 1) CÅN (brin 1) feuillet béta anti-parallèle vu de dessus 3,4 A feuillet béta anti-parallèle vu de côté NÆC (brin 2) CÅN (brin 2) CÅN (brin 3) CÅN (brin 3) feuillet béta parallèle vu de dessus feuillet béta parallèle vu de côté

11 6.5. Feuillets béta : des exemples (W) Motif immunoglobulinique

12 6.6. Boucles et coudes (L) Les boucles et les coudes sont des structures non régulières, non répétitives permettant des connections entre les structures secondaires. Les coudes ou tours ne possèdent que quelques résidus Une boucle peut atteindre une vingtaine de résidus. Contrairement aux structures secondaires régulières, les boucles ont tendance à se situer vers l extérieur des protéines et à engager des liaisons hydrogènes avec l eau environnante Exemple de coude β (type I)

13 6.8. Les éléments de bases des protéines : les acides aminés Caractéristiques générales (A) La structure commune de (presque) tous les acides aminés peut s écrire : Carbone α COOH COOH = fonction acide carboxylique H - C - NH 2 NH 2 = fonction amine primaire R R = chaîne latérale variable Le carbone α est assymétrique. Il existe donc deux stéréoisomères. COOH NH 2 - C - H R COOH H - C - NH 2 R Les protéines ne contiennent que des L acides aminés. La masse de chaque aa dépend de la chaîne latérale. La masse moyenne est d environ 120 Da.

14 Propriétés chimiques générales (L) En solution aqueuse (=dans tout système biologique), les acides aminés sont ionisés. L état d ionisation dépend du ph environnant COOH COOH COO - COO - NH 2 - C - H NH 3+ - C - H NH 3+ -C -H NH 2 - C - H R Forme non ionisée A B R Forme ionisée à ph 1 C R Forme ionisée à ph 7 (Zwitterion) D R Forme ionisée à ph 11 On peut titrer un acide aminé et déterminer les pk des fonctions carboxylique et amine ph B ph 6,0 pk 1 =2,3 B = C C pk 2 =9,7 C = D D 0,5 1 1,5 Équivalents OH -

15 Classification des acides aminés Il existe 20 acides aminés naturels entrant dans la composition des protéines On peut répartir les acides aminés selon la nature de leur chaîne latérale en 3 classes : acides aminés apolaires acides aminés polaires neutres à chaîne aliphatique : glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, méthionine, proline à chaîne aromatique : phenylalanine, tryptophane à fonction alcool : sérine, thréonine, tyrosine à fonction soufrée : cystéine à fonction amide : glutamine, asparagine acides aminés polaires ionisables à fonction acide : acide glutamique, acide aspartique à fonction basique : histidine, lysine, arginine Il existe des codes à trois ou une lettre extrêmement utilisés pour les séquences protéiques glycine, Gly, G méthionine, Met, M Cystéine, Cys, C phenylalanine, Phe, F alanine, Ala, A Proline Pro, P glutamine, Gln Q Tryptophane, Trp, W valine, Val, V sérine, Ser, S Asparagine, Asn, N histidine, His, H leucine, Leu, L thréonine, Thr, T acide glutamique, Glu, E lysine, Lys, K isoleucine, Ileu, I Tyrosine, Tyr, Y acide aspartique, Asp, D Arginine, Arg, R

16 Propriétés spécifiques (L) acides aminés apolaires à chaîne aliphatique glycine alanine valine leucine isoleucine méthionine proline

17 Propriétés spécifiques (L) acides aminés apolaires à chaîne aromatique acides aminés polaires neutres à fonction alcool phenylalanine tryptophane sérine thréonine tyrosine acide aminé polaire neutre à fonction soufrée Pont disulfure Cet acide aminé est particulier : deux cystéines forment un pont disulfure. La molécule formée s appelle la cystine cystéine oxydation cystine

18 Propriétés spécifiques (L) acides aminés polaires neutres à fonction amide acides aminés polaires ionisables à fonction acide asparagine glutamine acide aspartique acide glutamique pka (R) = 3,9 pka (R) = 4,1

19 Propriétés spécifiques (L) acides aminés polaires ionisables à fonction basique histidine lysine arginine pka (R) = 6,0 pka (R) = 10,5 pka (R) = 12,5

20 Prédiction de structure et bioinformatique (W,L) Ces propriétés spécifiques font que chaque acide aminé préfère un environnement conformationel donné. Les nouveaux outils bioinformatiques permettent de faire des prédictions structure primaire 1 -GHRFTKENVRILESWFAKNI 21-ENPYLDTKGLENLMKNTSLS 41-RIQIKNWVSNRRRKEKTI Hélice 2 Prédiction de structure 3D 1 ΒΒαββααΒβααααΒααααΒα 21 αβββαββαβααβαααβββαβ 41 αααααββαββααααααβα COOH Hélice 3 Hélice 1 NH 2 Comparaison dans les banques de données Proposition d un modèle éventuellement associé à une fonction

21 Structure et pathologie le mystère de la vache folle! La modification de la structure d une protéine particulière, le prion, peut lui conférer un rôle pathologique Protéine prion normale PrP c Protéine prion infectieuse «scrapie» PrP sc

22 Chapitre 7. Retour aux exemples : de la structure des protéines aux protéines de structure 7.1. Rappel : plusieurs familles de protéines participent à la structure cellulaire et tissulaire 7.2. Le collagène

23 7. Retour aux exemples : de la structure des protéines aux protéines de structure 7.1. Rappel : plusieurs familles de protéines participent à la structure cellulaire et tissulaire Les protéines du cytosquelette Les protéines des tissus de soutien

24 7.2. Le collagène Le collagène est la protéine la plus abondante et la plus ubiquitaire chez l homme (S) Le collagène représente plus du quart des protéines totales Le collagène est la base du tissu fibreux de la peau, des os, des tendons, des cartilages, des dents. C est une protéine rigide et inextensible. Le collagène est une protéine majeure du développement embryonnaire, des processus de cicatrisation et de fibrose Il existe plusieurs types de collagène qui représentent des variations autour d une structure de base commune. Chaque type de collagène a une fonction particulière Le collagène a une composition en acides aminés très particulière (S) Il contient deux acides aminés inhabituels : hydroxyproline et hydroxylysine. La séquence du collagène contient des répétitions remarquables hydroxyproline hydroxylysine

25 Cette séquence conduit à une structure fibrillaire très particulière (Z). Le collagène est formé par trois hélices gauches Les résidus glycine et proline sont indispensables à la formation de chaque chaîne, car il imposent des rotations répétitives.

26 Cette séquence conduit à une structure fibrillaire très particulière (2) (Z). Les trois hélices gauches sont super-enroulées en hélice droite A Les trois hélices gauches sont reliées par des liaisons hydrogènes inter-chaînes Cette molécule représente l unité de base des fibres de collagène et est appelée tropocollagène 15 A

27 Les fibres de collagène sont formées par la connection entre de nombreuses molécules de tropocollagène (S, Z). Les interconnections sont assurées par des lysines et des hydroxylysines La structure du collagène en microscopie électronique s explique par l arrangement particulier des molécules de tropocollagène. tropocollagène trou (400 A) Chevauchement (680 A) Fibre de collagène

28