Les protéines peuvent être classées sur la base de: leur solubilité dans des solutions salines leur forme leur fonction biologique leur mobilité électrophorétique ou leur coefficient de sédimentation leur structure 3D
I.1. Structures à domaine alpha Classe de structure la moins représentée Faisceaux d hélices alpha reliées par des boucles Myoémérythrine Faisceaux de quatre hélices ou reploiement globine. myoglobine Sous-unité de la protéine Rop 2 hélices alpha antiparallèles boucle de 3 acides aminés Protéine Rop Dimère Faisceaux de 4 hélices
Faisceaux de quatre hélices. Les hélices adjacentes dans la séquence et dans la structure 3D Chaînes latérales hydrophobes Chaînes latérales hydrophiles Les centres actifs sont localisés au centre du faisceau dans la zone hydrophobe Atome de fer Cytochrome b562 Myoémérythrine
Reploiement globine ou pli de la globine Faisceau de 8 hélices, orientations différentes Entre 7 et 28 résidus Hélices adjacentes dans la séquence pas forcément dans la structure Conservation de la structure 3D dans différentes espèces avec homologie de séquences de 16 à 99% Contacts hélice-hélice et hélice-hème: conservation absolue de l hydrophobicité des résidus
I.2. Structures Bêta antiparallèles 2 ème plus grand groupe de structure Comprend des enzymes, des protéines de transport, les anticorps et des protéines d enveloppe virale rubredoxin Région constant Région variable des Ig préalbumine Brins bêta antiparallèles (4 à plus de 10) arrangés en 2 feuillets Structure en tonneau Superoxyde dismutase Concanavaline A Chymotrypsine Superoxyde dismutase 8 brins β antiparallèles cœur hydrophobe
2 motifs «épingle à cheveux»: 12 possibilités pour feuillet bêta 4 brins Tonneau alterné Tonneau clé grecque Tonneau «gâteau roulé» Clé grecque
Tonneau alterné Brins bêta adjacents dans la séquence et dans la structure 3D du tonneau alterné Protéine plasmatique liant le rétinol 8 brins tors et courbes : 2 feuillets bêta (vert et bleu) serrés l un contre l autre. Certains brins (rouge) participent aux 2 feuillets. La molécule de rétinol est liée à l intérieur du tonneau. Appartient à superfamille de protéines ayant structure 3D similaire, qui lient de grosses molécules hydrophobes. Tonneau bêta alterné bien adapté.
Neuraminidase du virus de la grippe Homotétramère Pour chaque sous-unité, 6 feuillets bêta antiparallèles de 4 brins forment un supertonneau. 12 boucles forment le site actif
Tonneau à «clé grecque» Structure de la gamma-cristalline Monomère à 2 domaines 1 domaine: 2 motifs «clé grecque», 2 feuillets bêta, 1 tonneau distordu Structure d un domaine
Tonneau «gâteau roulé» Illustration schématique du motif «gâteau roulé» Organisation de 8 brins bêta en longue épingle à cheveux Diagramme topographique Enroulement de l épingle autour du tonneau. Tous les brins bêta sont antiparallèles
I.3. Structures alpha/bêta Structure de domaine la plus fréquente et la plus régulière Alternance de brins bêta et d hélices alpha Motifs β α β (les brins béta sont parallèles) Feuillet central parallèle ou mixte entouré d hélices alpha Présents dans toutes les enzymes de la glycolyse et transporteurs de métabolites
2 groupes Tonneau fermé Feuillet tors ouvert Triose phosphate isomérase Domaine de liaison des nucléotides déshydrogénases et kinases
Motif β α β Structure fixe droite Tonneau fermé α/β Feuillet ouvert α/β β3 aligné adjacent à β2 Ordre des brins 1-2-3-4 Même orientation Hélices du même coté au dessus du feuillet β3 aligné adjacent à β1 Ordre des brins 4-3-1-2 Hélices des 2 cotés du feuillet
200 résidus pour former les tonneaux α/β Intérieur du tonneau hydrophobe Tonneau α/β de la glycolate oxydase
B-antiparallèle (116 à 223) Tonneau α/β (43 à 115) Site actif + fixation substrat Feuillet α/β ouvert (388 à 530) Domaine N-ter (1 à 42) (édifice tétramèrique) Structure de la pyruvate kinase 530 acides aminés
Tonneau fermé α/β Feuillet ouvert α/β 3 4 Dans tonneau α/β, site actif crée par 8 boucles qui relient extrémités C des brins β et extrémités N des hélices α 2 brins adjacents avec boucles de connexion situées sur faces opposées du feuillet. Création d une crevasse où se localisent sites de fixation des ligands.
I.4. Structures alpha + bêta Groupe restreint Feuillet β localisé dans zone restreinte du domaine tassé contre plusieurs hélices α Lysozyme du bactériophage T4
I.5. Exemples de relations structure/fonction I.5.1. Transport de l oxygène: myoglobine et hémoglobine La myoglobine a une structure compacte et riche en hélice alpha Classe alpha, reploiement globine
La molécule d hème est enfouie dans une poche hydrophobe D
L oxygène se fixe sur la myoglobine grâce à l hème La fixation d oxygène déplace l atome de fer par rapport au plan de l hème
La liaison de l hème à la myoglobine dépend principalement de deux résidus histidine
La liaison de l oxygène à la myoglobine suit une courbe hyperbolique Très haute affinité de la myoglobine pour l oxygène
L hémoglobine est composée de 4 sous-unités de structure proche de celle de la myoglobine
L hémoglobine adulte contient 2 chaînes α et β, identiques deux à deux. Cette structure confère à la molécule des caractéristiques de protéine allostérique.
L hémoglobine est adaptée pour la captation, le transport et la libération de l oxygène dans les tissus: l effet coopératif
L hémoglobine est adaptée pour la captation, le transport et la libération de l oxygène dans les tissus: modulations de l affinité pour l oxygène
L hémoglobine est adaptée pour la captation, le transport et la libération de l oxygène dans les tissus: modulations de l affinité pour l oxygène L affinité de Hb pour O2 est diminuée par le 2,3 diphospho-glycérate (DPG) DPG: intermédiaire de la glycolyse, libéré dans tissus périphériques, présent dans hématies à la même concentration que Hb (2mM) En absence de DPG, Hb perd ses propriétés de coopérativité L affinité de HB fœtale (HbF=α2γ2) pour O2 est supérieure à celle de Hb maternelle (HbA=α2β2). Cette différence d affinité est liée à la plus faible affinité de la chaîne γ de HbF pour le DPG comparée à celle de la chaîne β de HbA
L analyse de la structure 3D de l hémoglobine permet de définir le mécanisme moléculaire de son fonctionnement Lors de l oxygénation, l atome de fer se déplace
Les déplacements générés sur une sous-unité sont transmis à sous-unité associée Les interactions entre chaînes adjacentes sont principalement réalisées par des ponts salins entre résidus chargés
La comparaison des structures de l oxyhb et de la désoxyhb montrent l existence de 2 états moléculaires distincts
L hémoglobine sert de modèle pour les protéines allostériques
L hémoglobine sert de modèle pour l étude des pathologies moléculaires β6glu HbA Val HbS
Deux exemples de situations pathologiques CO: blocage du site actif de HB Drépanocytose: pas d atteinte du site actif
IV.5. Exemples de relations structure/fonction IV.5.2. Défense de l organisme et anticorps Système immunitaire des vertébrés : mécanismes de défense contre parasites, virus, bactéries, cellules cancéreuses Deux types de mécanismes de défense Les mécanismes de défense non-spécifique ou immunité innée ou naturelle peau, muqueuses, acidité gastrique, cellules phagocytaires ou larmes Les mécanismes de défense spécifique ou immunité acquise - immunité à médiation cellulaire (lymphocytes T) contre cellules infectées par virus, bactéries et cellules cancéreuses - immunité humorale (anticorps spécifiques) contre bactéries et virus
Les mécanismes de défense spécifique Trois propriétés principales: - Reconnaissance spécifique des molécules étrangères (distinction du soi et du non soi) - Capacité de destruction de l élément étranger - Mécanisme de mémorisation qui permet une réponse rapide Fortes interactions spécifiques entre protéines du système immunitaire et molécules spécifiques des corps étrangers Cellules B et anticorps ou immunoglobulines Cellules T et récepteur (TCR) TCR reconnaissent déterminants antigéniques présentés par protéines du CMH Déterminants antigéniques: sites des molécules reconnus par le système immunitaire
Les immunoglobulines: vaste répertoire de protéines capables de reconnaissance spécifique - Formation d un complexe antigène:anticorps très spécifique - Grande diversité des anticorps - Tout antigène présenté au système immunitaire provoque la production d AC spécifiques
Réaction primaire (Première rencontre avec l antigène) Antigène L antigène se lie au récepteur membranaire d un lymphocyte spécifique Prolifération pour former un clone Lymphoblastes B Plasmocytes Lymphocytes B mémoire Molécules d anticorps sécrétées Réaction secondaire (Peut survenir des années plus tard ) Stimulation subséquente par le même antigène Clone de cellules identique aux premières cellules sensibilisées. Plasmocytes Lymphocytes B mémoire Molécules d anticorps sécrétées
2 types de chaînes légères 5 types de chaînes lourdes Structure d un anticorps Différents types d immunoglobuline
Régions hypervariables: spécificité des interactions antigène-anticorps
Origine de la diversité des anticorps 2 pools de gènes pour les chaînes légères Jonction combinatoire + Diversité de jonction + Hypermutation somatique
1 pool de gènes pour chaînes lourdes Jonction combinatoire: + Diversité de jonction + Hypermutation somatique 3000 X 90000= 270 000 000
Molécules Ig complètes cristallisent difficilement: flexibilité région charnière CH1-CH2 2 fragments Fab Lient antigènes Fragment Fc Fonctions effectrices Structure des fragments Fab, Fc et complexes avec antigènes: informations sur la structure des Ig
Domaines variables et constants des chaînes H et L ont une structure similaire: pli de l immunoglobuline Formé de 2 feuillets β antiparallèles: assimilé à tonneau à clé grecque Pont S-S entre β2 et β6
Domaine constant 7 brins Domaine variable 9 brins
Spécificité des Ig déterminée par séquence et taille des régions CDR CDR1 CDR2 CDR3 (β2 β3) (β3b-β3c) (β6-β7) VL 24-34 50-56 89-97 VH 31-35 50-65 95-102 Tous les brins du feuillet à 5 brins sont impliqués dans les boucles des régions hypervariables
Association VH-VL et CH1-CL CDR proches forment site de liaison antigénique Chaîne légère
Association CL-CH1 Résidus hydrophobes à l interface Interactions entre les feuillets à 4 brins de CL et CH1
Association VL-VH Formation d un tonneau Interactions entre les feuillets à 5 brins de VL et VH
Structure d une molécule d Ig complète Interaction CH2-CH2: pas d interaction protéine/protéine, association lâche par chaînes polysaccharidiques Interaction CH3-CH3: idem CL-CH1 (feuillet 4 brins)
6 boucles forment le site complet de fixation de l antigène: large surface à l extérieur du tonneau Site de fixation des haptènes: crevasse avec boucles CDR1 et CDR2 Complexe antigène/anticorps: lysozyme et fragment Fab d un anticorps monoclonal anti lysozyme. En rouge, zone de contact
Homologies structurales des protéines qui participent à la défense de l organisme
ANNONCE IMPORTANTE POUR LES TP TP obligatoires indispensables pour la validation des UE Structure des protéines, Immunologie INSCRIPTION sur les listes Affichage des binômes courant de la semaine En cas de problèmes, contacter isabelle.crenon@univ-amu.fr