Biologie Fondamentale

Biologie Fondamentale Les Molécules du Vivant De l atome à la molécule. Philippe Karoyan Les Ions du Compartiment plasmatique Pascal Ferré Glucides et Oxygène Pascal Ferré Structure des Protéines Dominique Rainteau 3 Octobre 2014

Les protéines sont des macromolécules conçus pour le monde biologique, leur dessin est adapté aux fonctions les plus variées (structure, catalyseurs, transporteurs, reconnaissance ) Les protéines sont des polymères linéaires qui portent une grande variété de groupements fonctionnels qui leur permettent des repliements dans l espace responsables de leurs activités spécifiques. Les enzymes sont les catalyseurs du monde biologique, ils se caractérisent par un extraordinaire pouvoir catalytique et une extrême spécificité. Pratiquement tous les enzymes sont des protéines

Introduction : de la fonction à la structure I. Les protéines du plasma II. La structure tridimensionnelle d une protéine la sérum albumine les immunoglobulines III. La chaîne polypeptidique: la liaison peptidique IV. Les structures régulières: hélice, feuillets V. Les repliements de la chaîne polypeptidique les amino acides VI Les enzymes Mécanisme d une réaction enzymatique Le site actif La protéolyse ménagée Les protéines mal repliées

structure fonction COO- COO- transporteur H H SH NH3+ fonction

Introduction : de la fonction à la structure Les protéines sont des actrices essentielles du monde vivant Il n existe pratiquement pas de processus biologique non régi par des protéines. Les protéines assurent l'ensemble des fonctions du vivant Transformer Créer et maintenir une structure Les protéines du cytosquelette Les protéines des tissus de soutien Reconnaître et se défendre Les immunoglobulines Transporter Les transporteurs de petites molécules dont l oxygène Les transporteurs transmembranaires Informer signaler Les récepteurs et leurs ligands Les «interrupteurs moléculaires» Les enzymes catalysent l essentiel des réactions chimiques du vivant Bouger se déplacer Les protéines à fonction motrice Les protéines des mouvements intracellulaires

Rappel Liaison chimique H O H Les atomes partagent leurs électrons formation de liaisons plus ou moins stables liaison covalente liaison hydrogène liaison ionique + liaison hydrogène liaison covalente +

Rappel Hydrophile capable d établir des interactions stabilisantes avec les molécules d eau liaison hydrogène H O H molécule hydrophile

Molécule hydrophile capable d établir des interactions stabilisantes avec les ions liaison ionique Na + Cl Na + Cl liaison ionique COO + + H3N COO + H3N liaison ionique

Molécule Hydrophobe capable d établir des interactions hydrophobes radical CH3 acide gras (huile) interaction hydrophobe

Bilan liaisons H O H liaison hydrogène d+ liaison covalente interaction hydrophobe Na + liaison ionique Cl d d+ Force des liaisons interaction hydrophobe 0 4kJ liaison ionique 8 12kJ liaison hydrogène 15 20kJ liaison covalente ~120kJ

Les protéines représentent 60 80g/l dans le sang Préparation des protéines du sérum Après un prélèvement de sang veineux et formation du caillot, la centrifugation permet de séparer les cellules du sérum Le sérum est composé de plusieurs centaines de protéines 20 protéines représente 95% des protéines totales L albumine représente plus de 50%, les immunoglobulines 20% des protéines total Quelles protéines? Origine? I. Les protéines du plasma sérum cellules

Les protéines du sérum sont en solution dans l eau COO H H NH3+ SH COO Les protéines établissent des interactions stabilisantes avec les molécules d eau liaisons hydrogènes liaisons ioniques Présence de fonctions ionisables à la surface de la protéine

Présence de fonctions ionisables: COOH et NH2 COOH COO- + H+ NH3+ NH2 + H+ les protéines sont chargées ex: ph 7 - ooc- + H 3 N- + H 3 N- + H 3 N- - ooc- -coo -coo - - -NH + 3 - coo - coo - - -coo coo - -4 les protéines peuvent être séparées par migration dans un champ électrique

Les protéines du sérum peuvent être séparées par migration dans un champ électrique Les protéines peuvent être identifiées par la fixation de colorants + Electrophoretic Fractions Range (g/l) Total Protein 64-80 Albumin 38-50 Alpha-1 3-5 Alpha-2 3-7 Beta 6-10 Gamma 7-14 migration coloration

Application clinique l hypoalbuminémie Diminution albumine circulante est corrélée avec une augmentation de la morbidité et de la mortalité Augmentation immunoglobulines Augmentation alpha 2 macroglobuline Défaut de synthèse Perte de protéines (urines)

Fonctions II. La structure tridimensionnelle d une protéine Exemple 1 la sérum albumine humaine protéine multifonctionnelle maintien de la pression osmotique 50% protéines plasma transporteur capacité de se lier à de multiples molécules La structure tridimensionnelle Transporteur Poids Moléculaire 66 400Da Monomère 1 chaîne 67% hélice Nombreux sites de fixation

Na+ Na+ Na+ Maintien de la pression osmotique 50% protéines plasma Fortement chargé négativement attraction Na+ maintien H2O Na+ la sérum albumine humaine protéine multifonctionnelle Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Hypo albuminémie oedème «Les molécules d eau entourent les ions et les molécules polaires, ce qui empêche leur regroupement dans un solide capacité de solvant» Physiologie contrôle de la concentration de l albumine dans le plasma est très importante maintien de la pression osmotique contrôle de l équilibre des fluides entre les différents compartiment cellulaires

la sérum albumine humaine protéine multifonctionnelle Albumine transporteur des acide gras Acide oléique C18 transporteur capacité de se lier à de multiples molécules NH3+ NH3+ 6 sites de fixation Structure site de fixation poche NH2+ OOC NH3+ NH3+ NH3+ paroi interne tapissée de fonctions hydrophobes NH3+ entrée de la poche fonction hydrophile Liaison ionique fonctions hydrophobes

résumé sérum albumine humaine protéine multifonctionnelle Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ OOC NH3+ Na+ Na+ surface charge négative maintien de la pression osmotique sites de fixation «poches hydrophobes» transporteur + médicaments

Exemple 2 les immunoglobulines immunoglobulines Les immunoglobulines sont synthétisées par les de cellules sanguines spécialisées dérivées des lymphocytes B Un anticorps ou immunoglobuline est une protéine synthétisée par un animal en réponse à la présence d une substance étrangère «antigène» Les anticorps ont une très grande spécificité et une très forte affinité pour l antigène qui à induit leur synthèse Fonction: formation d un complexe antigène anticorps IgG antigène complexe Structure tridimensionnelle d une IgG

Comment une structure «unique» reconnaît une infinité d antigène notion de «domaine» fonctionnel structure «modulable» capable de reconnaître une infinité d antigènes

La modularité 2 chaînes lourdes 2 chaînes légères Ag fixation d un antigène sur les boucles hyper variables domaine variable La spécificité de liaison antigène anticorps dépend de la variabilité de composition de la séquence sur un très petit nombre de sites des régions variables des chaînes lourdes et légères

Bilan structure tridimensionnelle d une protéine est responsable de la fonction spécifique de cette protéine structure stable COO COO Structure Fonction H Charge Solubilité H SH «poche» Fixation de ligands spécifiques NH3+ «boucles» Reconnaissance de structures spécifiques

III. La chaîne polypeptidique: la liaison peptidique chauffage Les protéines sont des polymères a.a. NH 2 H C COOH relié par liaison peptidique R 1 monomère acide aminé chaîne polypeptidique est polarisée

La liaison peptidique La liaison peptidique est une liaison covalente qui se forme par condensation du groupe carboxyle (acide) d un acide aminé avec le groupe aminé d un autre acide aminé et élimination d eau NH 2 H carboxyle C COOH + H N H C COOH NH 2 H O C C H N C COOH + H 2 O R 1 H R 2 R 1 H R 2 amine liaison peptidique (liaison amide particulière)

La liaison peptidique est une liaison amide particulière Forme hybride Les électrons sont partagés entre les atomes O, C et N et sont distribués sur une orbitale moléculaire qui recouvre les 3 atomes En conséquence, la liaison peptidique possède trois propriétés fondamentales Elle est plane Elle est rigide Elle est polaire

L organisation dans l espace d une chaîne polypeptidique est définie par les valeurs de 2 angles Si l on connaît les valeurs des angles de chaque liaison peptidique d une chaîne polypeptidique on peut «construire sa structure tridimensionnelle»

IV. Les structures régulières hélice, feuillets structure tridimensionnelle d une protéine correspond la position dans l espace de tous les atomes constituant cette protéine des structures régulières COO des boucles au «hasard» H H SH COO Comment s organise cette structure tridimensionnelle? NH3+

Structures régulières dans la structure tridimensionnelle hélice feuillet liaisons hydrogène Propriétés des C=O et N H de la liaison peptidique les structures régulières (hélice feuillet )

Des exemples Hélice Feuillet Vue de dessus Ct Nt Nt Ct L albumine est composée à 67% d hélice L hélice alpha droite est la structure régulière la plus fréquente domaines des immunoglobulines sont formés de feuillets

Introduction : de la fonction à la structure I. Les protéines du plasma II. La structure tridimensionnelle d une protéine la sérum albumine les immunoglobulines III. La chaîne polypeptidique: la liaison peptidique IV. Les structures régulières: hélice, feuillets V. Les repliements de la chaîne polypeptidique les amino acides Les enzymes Mécanisme d une réaction enzymatique Le site actif La protéolyse ménagée Les protéines mal repliées

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Je l ai un peu déstructuré mais c est fonctionnel ce caleçon en peau fonction

Introduction : de la fonction à la structure I. Les protéines du plasma Rappel II. La structure tridimensionnelle d une protéine la sérum albumine les immunoglobulines III. La chaîne polypeptidique: la liaison peptidique IV. Les structures régulières: hélice, feuillets V. Les repliements de la chaîne polypeptidique les amino acides VI Les enzymes Mécanisme d une réaction enzymatique Le site actif La protéolyse ménagée Les protéines mal repliées

Rappel Na + Cl H O H liaison ionique + liaison hydrogène liaison covalente + COO COO H H2O Cl K+ H NH3+ Na+ molécule hydrophile SH interaction hydrophobe Force des liaisons interaction hydrophobe 0 4kJ liaison ionique 8 12kJ liaison hydrogène 15 20kJ liaison covalente ~120kJ

la sérum albumine humaine protéine multifonctionnelle Maintien de la pression osmotique Fortement chargé négativement attraction Na+ maintien H2O transporteur capacité de se lier à des molécules hydrophobes Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ NH3+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ OOC + médicaments hormones acides biliaires protéine NH3+ Hypo albuminémie oedème

immunoglobuline est une protéine synthétisée par un animal en réponse à la présence d une substance étrangère «antigène» Les immunuglobulines sont des protéines «hyper» modulables Ag fixation d un antigène sur Les boucles hypervariables domaine variable IgG antigène complexe domaine constant

protéines solubles dans l eau ou insérées dans une membrane R R R protéines Les protéines établissent des interactions stabilisantes avec les molécules d eau liaisons hydrogènes liaisons ioniques R R interactions stabilisantes des résidus hydrophobes des hélices avec les chaînes d acides gras hydrophobes des phospholipides interactions hydrophobes

Les protéines sont des polymères NH 2 H C COOH R 1 monomère acide aminé la liaison peptidique est plane, rigide, polaire

hélice Structures régulières dans la structure tridimensionnelle hélice feuillet liaisons hydrogènes feuillet

V Les repliements de la chaîne polypeptidique quels amino acides? hélice liaison hydrogène liaison ionique feuillet pont disulfure interaction hydrophobe Structure tridimensionnelle d une protéine: les repliements de la chaîne peptidique stabilisés par les interactions faibles (interaction hydrophobe, liaison hydrogène, liaison ionique) et les liaisons covalentes ( pont disulfure)

acide aminé les chaînes latérales des aminoacides dans la structure tridimensionnelle sont capables de former des interactions et des liaisons R

Acides aminés à chaînes latérales capable de d établir des interactions hydrophobes G A V COO H COO Interactions hydrophobes au coeur de la protéine L M I H NH3+ F Y W

Acides aminés à chaînes latérales capable de d établir des liaisons hydrogène liaison ionique liaison hydrogène H2N Liaisons hydrogènes à la surface de la protéine (en interaction avec les molécules de H2O + entre les régions de la protéines pour stabiliser les repliements

Acides aminés à chaînes latérales capable de d établir des liaisons ioniques COOH COO + H+ NH3+ NH2 + H+ liaison ionique Liaisons ioniques à la surface de la protéine (en interaction avec les molécules H2O et les sels + entre les régions de la protéine pour stabiliser les repliements

Acides aminés à chaînes latérales capable de d établir des liaisons covalentes Cystéines et pont disulfure Pont disulfure Cyst 34 oxydation cystine Albumine petite protéine globulaire 35 cystéines 17 ponts disulfure + Cys 34 thiol libre (activité enzymatique)

Acide aminé capable de former des «coudes» coude proline liaisons peptidiques la fonction amine est incluse dans le cycle blocage de l angle formation d un coude dans la chaîne polypeptidique.

Acides aminés à chaînes latérales capable d être phosphorylés Trois acides aminés à fonction alcool sérine thréonine tyrosine Chacune de ces trois fonctions alcool peut fixer un groupement phosphate. C est le principe de la phosphorylation des protéines qui constitue l un des modes les plus fréquents de la régulation de la fonction d une protéine

Bilan: Il existe 20 acides aminés naturels entrant dans la composition des protéines On peut répartir les acides aminés selon la fonction de leur chaîne latérale interactions hydrophobes à chaîne aliphatique : glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, méthionine, proline à chaîne aromatique : phénylalanine, tryptophane, tyrosine liaisons hydrogènes liaisons ioniques liaison covalente à fonction alcool : sérine, thréonine, tyrosine à fonction thiol : cystéine à fonction amide : glutamine, asparagine à fonction acide : acide glutamique, acide aspartique à fonction basique : histidine, lysine, arginine à fonction thiol : cystéine pont disulfure Nutrition Acide aminé essentiel = non synthétisé par l homme

résumé Protéines sont des polymères d acides aminés liés par des liaisons peptidiques la liaison peptidique est plane, rigide, polaire propriétés des C=O et N H de la liaison peptidique (liaisons H) les structures régulières (hélice, feuillet ) liaison hydrogène les repliements de la chaîne peptidique stabilisés par les interactions faibles (interaction hydrophobe, liaison hydrogène, liaison ionique) et les liaisons covalentes ( pont disulfure) liaison ionique pont disulfure interaction hydrophobe structure tridimensionnelle les protéines sont chargées les protéines peuvent être ooc coo coo séparées par migration dans un champ électrique + H 3 N coo ooc NH + 3 coo + H 3 N coo coo + H 3 N 4

SITE ACTIF VI Les enzymes Les enzymes sont les catalyseurs du monde biologique. Ils sont capable de transformer une forme d énergie en une autre. Ils se caractérisent par un extraordinaire pouvoir catalytique (stabilisation des états transitoires) et une extrême spécificité (site actif). Pratiquement tous les enzymes sont des protéines, capable de catalyser des réactions chimiques très diverses en raison de leur capacité à se lier spécifiquement à une très large gamme de molécules

Principe d une réaction enzymatique absence d enzyme substrat état transitoire produit énergie libre G substrat avec enzyme complexe enzyme substrat énergie libre G produit le complexe enzyme substrat stabilise l état transitoire un enzyme catalyse une réaction en abaissant l énergie d activation augmentation de la vitesse de la réaction

Le site actif substrat + enzyme complexe enzyme substrat produits Site actif région de l enzyme lieu des interactions avec le substrat Site de reconnaissance spécificité vis à vis du substrat Site catalytique ensemble des chaînes latérales des amino acides responsable de la réaction catalysée par l enzyme

Composition du site actif d un enzyme chaînes latérales des acides aminés site actif substrat Site actif d un enzyme Ensemble des chaînes latérales des acides aminés qui établissent des interactions avec le substrat Ces interactions permettent de reconnaître le substrat (spécificité) et de catalyser sa transformation en produit

Fonctionnement du site actif d un enzyme interactions responsables de la formation du complexe enzyme substrat et de la spécificité de ce substrat et de l efficacité de la catalyse enzymatique Interactions faibles liaisons H liaisons ioniques + interactions hydrophobes

La digestion macromolécules monomères protéine acide aminé protéase glucide glucose glucosidase lipide acides gras acides gras glycérol lipase glycérol

Spécificité de la lipase pancréatique diglycérides triglycérides lipase lipides alimentaires acides gras cellule intestinale

Lipase pancréatique: comment hydrolyser des molécules hydrophobes en milieu aqueux? acides biliaires lipase pancréatique monoglycérides diglycérides globule lipidique micelles

Les polymères du glucose et la spécificité enzymatique Liaison 1 4 glucosidases réserve Liaison 1 4 structure glucosidases

Exemple enzymes protéolytiques Digestion des protéines essentiellement dans l intestin grêle Enzymes trypsine, chymotrypsine, elastase, carboxypeptidase et aminopeptidase Hydrolyse polymère monomères protéines (polypeptides acides aminés hydrolyze de la liaison peptidique réaction catalysée site actif Asp102 His57 S195 Asp189 Trypsine

3 enzymes: trypsine, chymotrypsine, élastase Catalysent la même réaction la coupure de la liaison peptidique 3 spécificités différentes Val Ile Asp Lys Val Ser Leu Phe Gly Ala Met Pro Glu Spécificité sites de coupures Un seul site catalytique Trois sites de reconnaissance spécifiques

résumé de la réaction enzymatique d une sérine protéase site actif site de reconnaissance site catalytique interactions spécifiques enzyme substrat enzyme disponible pour fixer un nouveau substrat D D K D K

La vie de la trypsine Entéropeptidase duodénale Qu'appelle t on protéolyse ménagée? Sécrétion pancréatique Zymogène très faible activité (trypsinogène) Activation dans le duodénum clivage de la séquence libérant le site actif NH 2 Lys (hexapeptide N term) S Med: pancréatite aigüe

ACTION DE LA TRYPSINE SUBSTRAT

une protéine mal repliée Inhibiteur des sérine protéases dans le sérum protéine normale protéine mal repliée polymère toxique

Mutation protéine mal repliée Absence de sécrétion de l alpha 1 antitrypsine ( 1AT) Perte de fonction absence perte de fonction Synthèse hépatique de l alpha 1 antitrypsine ( 1AT) Mutation protéine mal repliée formation de polymères toxiques pathologies hépatiques graves polymères toxiques gain de fonction

Résumé Les enzymes sont les catalyseurs du monde biologique substrat complexe enzyme substrat stabilisation des états transitoires produit énergie libre G diminution énergie d activation extrême spécificité (site actif). R R protéolyse ménagée NH 2 Lys (hexapeptide N term) S capacité à se lier spécifiquement à une très large gamme de molécules inhibition Protéine mal replié formation de polymères toxiques protéine normale protéine mal repliée polymère toxique mutation pathologie

La séquence des acides aminés (I) est déterminée par le gène La séquence des acides aminés (I) détermine la structure tridimensionnelle (II) Une structure tridimensionnelle (II) donnée est responsable d une fonction spécifique (III) R R (I) (II) (III)

Merci de votre attention