Relation Structure/Fonction des Peptides et Protéines PDF

UE1 – Biochimie Pr. Galibert RELATION STRUCTURE/FONCTION DES PEPTIDES ET PROTÉINES SOMMAIRE I – Les hormones pancréatiques..........................................................................................

UE1 – Biochimie Pr. Galibert RELATION STRUCTURE/FONCTION DES PEPTIDES ET PROTÉINES SOMMAIRE I – Les hormones pancréatiques.............................................................................................................................. 2 II – Les immunoglobulines (Ig).................................................................................................................................2 III – Les hémoglobines............................................................................................................................................. 4 A. Le groupement prosthétique.............................................................................................................................. 5 B. La globine........................................................................................................................................................... 5 1. Structure primaire.......................................................................................................................................... 5 2. Structure secondaire...................................................................................................................................... 5 3. Structure tertiaire.......................................................................................................................................... 5 4. Structure quaternaire..................................................................................................................................... 6 C. Fixation de l’O2.................................................................................................................................................... 6 D. Relargage de l’O2.................................................................................................................................................7 E. Liaison de l’hémoglobine au CO2........................................................................................................................ 7 F. Modifications post-traductionnelles................................................................................................................... 7 G. Pathologies liées à l’hémoglobine...................................................................................................................... 7 UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines I – Les hormones pancréatiques Le pancréas a 2 fonctions principales : - Ses cellules exocrines produisent des enzymes digestives qui sont sécrétées au niveau de l’intestin. - Ses cellules endocrines produisent des hormones peptidiques responsables de la régulation du métabolisme énergétique. Ces hormones peptidiques sont le glucagon, l’insuline et la somatostatine, qui sont respectivement produites par les cellules α, β et δ des îlots de Langerhans.  L’insuline est une hormone hypoglycémiante synthétisée sous forme d’une chaîne polypeptidique unique (1 gène va coder) qui est un précurseur inactif de haut poids moléculaire : la préproinsuline (inactive). Cette préproinsuline comporte plusieurs segments : le peptide signal N-ter et les segments A et B reliés par le segment C. Ce précurseur va subir des digestions enzymatiques (hydrolyses) spécifiques. Maturation : - La 1ère étape est l’élimination des 23 AA du peptide signal → changement 1er AA et la création de 3 ponts S- S : deux entre les segments A et B et un au sein du segment A. Cela forme la proinsuline qui est également inactive. Cette proinsuline n’a donc plus de méthionine comme premier AA. - La 2ème étape est la perte du segment C grâce à 2 hydrolyses spécifiques. Elle libère l’insuline, composée de 2 chaînes A et B reliées par 2 ponts S-S inter-chaînes et 1 pont S-S intra-chaîne. La chaîne A comporte 21 AA et la chaîne B en contient 30. Il y a deux hélices α dans la chaîne A et une hélice α dans la chaîne B.  Seule l’insuline définitive est une protéine fonctionnelle et active. La structure tertiaire est donc obtenue par protéolyses successives. On parle de structure tertiaire et non de structure quaternaire car les 2 chaînes constitutives de l’insuline sont issues de la même chaîne originelle. Uniquement hélice α.  Le glucagon est une hormone hyperglycémiante composée d’une seule chaîne polypeptidique de 29 AA. Il dérive également de précurseurs de plus haut poids moléculaire, le préproglucagon et le proglucagon.  La somatostatine est composée de 14 AA. Elle est synthétisée par les cellules du pancréas, de l’hypothalamus et certaines cellules intestinales. Elle inhibe la sécrétion d’insuline et de glucagon → contrôle de la glycémie II – Les immunoglobulines (Ig) Ce sont des anticorps synthétisés par les lymphocytes B. Il y a des fractions présentes au niveau des lymphocytes B et des fractions libres : les immunoglobulines libres sont plasmatiques. Issues de plusieurs gènes. Tétramères. UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines  Si on fait une électrophorèse des protéines du sérum à la fraction γ, les immunoglobulines plasmatiques correspondent à la fraction γ et à une partie des β globulines. Analyse des protéines du sérum par électrophorèse sur acétate de cellulose (migration des protéines en fonction de leur charge) : sérum-albumine (pic majoritaire car l’albumine est la protéine plasmatique la plus importante), α1 globuline, α2 globuline, β globuline et γ globuline → plusieurs protéines qui migrent à un même niveau. Lorsque certaines pathologies affectent le foie (hépatite), il n’est plus fonctionnel et ne synthétise plus d’albumine, on observe donc un pic d’albumine moindre à l’électrophorèse. Ce sont des marqueurs d’inflammation.  Dans des maladies hématologiques, un pic d’immunoglobulines (γ et/ou β globuline) signale une infection.  Chaque immunoglobuline comporte 2 chaînes légères L identiques (PM = 23 000 Da) et 2 chaînes lourdes H identiques (PM = 53 à 75 000 Da). C’est donc un tétramère H2L2. Elles sont reliées par des ponts disulfures S-S intra- et inter-chaînes. Les S-S intra-chaînes entraînent la formation de demi-boucles caractéristiques des immunoglobulines → domaines.  Chaînes lourdes : 2 ponts disulfures. Chaque chaîne peut être divisée en domaine fonctionnels : - La chaîne légère L comporte : o La moitié côté C-ter : région constante C o La moitié côté N-ter : région variable V, spécifique de chaque immunoglobuline - La chaîne lourde H comporte : o Les ¾ côté C-ter : régions constantes C1, C2 et C3 o Le ¼ côté N-ter : région variable V, spécifique de chaque immunoglobuline La portion de la molécule d’immunoglobuline qui se lie de façon spécifique à son antigène est représentée par les 2 régions variables des chaînes lourdes et légères. Cela correspond au site d’anticorps. Chaque molécule d’immunoglobuline a 2 sites d’anticorps identiques. Les chaînes lourdes sont glycosylées (modification post-traductionnelle). Les chaînes glycaniques (en nombre variable selon la classe d’immunoglobuline) sont fixées par des liaisons N- et O-glycosidiques. Les sites antigéniques sont formés par la région variable de la chaine légère ainsi que la région variable de la chaine lourde. Il existe 2 types de chaînes légères : kappa (κ) et lambda (λ) présentes dans toutes les classes d’immunoglobulines → définir un certain nombre d’immunoglobulines associées avec chaînes lourdes. UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines Il existe 5 types de chaînes lourdes définissant 5 classes d’immunoglobulines : - γ IgG γ2κ2 ou γ2λ2 - α IgA α2κ2 ou α2λ2 - μ IgM μ2κ2 ou μ2λ2 - δ IgD δ2κ2 ou δ2λ2 - ϵ IgE ϵ2κ2 ou ϵ2λ2 Chacune de ces immunoglobulines vont permettre une réponse immunitaire adaptée.  Les IgG sont des tétramères. D’autres Ig peuvent exister sous formes de polymères d’un ordre plus élevé, comportant 2/3 unités tétramériques (IgA) voire 5 unités tétramériques (IgM) reliées par extrémités C-ter. Regroupement chaîne légère/lourde qui permet de créer des sites antigéniques + reconnaissance antigènes → structure = FONCTION ASSOCIÉE C’est au niveau des parties constantes des chaînes lourdes que se forment les liaisons qui forment les polymères. III – Les hémoglobines Les hémoglobines sont des hétéroprotéines constituées : - D’une copule protéique : la globine - D’une partie prosthétique : le groupement héminique Ce sont des molécules tétramériques formées de 4 chaînes polypeptidiques identiques 2 à 2 (structuration en quinconce), associée chacune à une molécule d’hème. Il y a différentes formes de chaînes de globines. Chez l’adulte : - HbA1 : α2β2 qui représente plus de 97% de l’hémoglobine totale. - HbA2 : α2δ2 qui représente 1,5 à 3% de l’hémoglobine totale  Parfois persistance de l’hémoglobine fœtale (ϵ et γ) : pas pathologique (pas les mêmes chaînes) Les hémoglobines sont les protéines majoritaires des hématies (globule rouge). Leur fonction principale est d’assurer le transport de l’O2. Cette fonction n’est assurée que quand la protéine est sous forme tétramérique + éliminer CO 2. Molécule d’oxygène = dioxygène = O2 A Le groupement prosthétique UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines La structure de base des groupements héminiques est le noyau pyrrole (= pentacyle avec un azote). 4 noyaux pyrroles s’associent pour former une structure cyclique : le noyau porphyre. Diverses substitutions : les chaînes radicales (R1 à R8 → 4 noyaux) donnent naissances au groupe des porphyrines. On passe des porphyrines aux groupements héminiques par introduction d’un ion Fe2+ au centre du noyau tétrapyrrolique. L’atome de fer à l’état ferreux Fe2+ (maintenu à l’état ferreux → fixer O2) est au centre du plan défini par les noyaux pyrroles et s’unit aux 4 atomes d’azote par des liaisons de coordinance → partie prosthétique. Chaque globine porte un groupement héminique Les chaînes polypeptidiques sont identiques 2 à 2 → très peu de contacts entre les chaînes identiques. Le fer est toujours à l’état ferreux. (Fe2+) B La globine 1 Structure primaire La chaîne α est constituée de 141 AA, les chaînes β, δ et γ sont constituées de 146 AA. Toutes ces chaînes sont issues de gènes qui sont sur un même locus donc qui sont originaires d’un gène commun qui s’est dupliqué plusieurs fois. L’homologie est d’autant plus forte que la duplication/mutation est récente (≠ si ancien : + la duplication est précoce + il y a des différences) : - Les chaînes α et β diffèrent de 80 acides aminés (duplication + ancienne) - Les chaînes β et γ diffèrent de 40 acides aminés - Les chaînes β et δ diffèrent de 10 acides aminés (+ récente)  Permet de dater + faire arbre phylogénétique : origine évolution génique 2 Structure secondaire La structure est en hélice α sur 70% de la longueur. Les chaînes β comportent 8 régions hélicoïdales (en hélice α) désignées de A à H tandis que les chaînes α n’en comportent que 7 car il y a absence de l’hélice D.  Numérota° spécifique au sein de chaque domaine. 3 Structure tertiaire UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines Elle est stabilisée par des liaisons H et des forces de Van der Waals ce qui forme une structure globulaire très compacte où la chaîne est repliée sur elle-même. Les zones hélicoïdales et non-hélicoïdales conditionnent la structure tertiaire. L’hème se positionne entre les segments E et F qui forment la poche de l’hème (cavité). Celle-ci est orientée vers l’extérieur et composée d’AA à chaînes latérales fortement hydrophobes, indispensable pour que le fer reste à l’état ferreux Fe 2+ car, au contact de l’eau, il deviendrait ferrique Fe3+. Le fer doit rester à l’état bivalent Fe2+ pour pouvoir se coordonner à l’oxygène. On a une protection permanente contre la met-hémoglobinisation, c’est-à-dire contre son passage de ferreux à ferrique.  Liaison de l’hème à la globine : - 2 des 6 valences du fer ferreux, perpendiculaires au plan de l’hème, vont se fixer aux parois latérales de la poche de l’hème, à l’azote imidazole de 2 AA histidines, situées en His F8 (92 β / 87 α) et His E7 (63 β/ 58 α). - La liaison fer-histidine F8 est forte et proximale alors que la liaison en E7 est plus lâche et plus distale afin d’admettre une molécule de dioxygène entre l’histidine E7 et l’anneau tétrapyrrolique/hème (fer). 4 Structure quaternaire L’hémoglobine est une molécule globulaire de 55 Å de diamètre. C’est un tétramère de 2 sous-unités α et 2 sous- unités β (HbA1) donc 4 hèmes et 4 fers, il fixe donc 4 O2. Structure polypeptidique identique 2 à 2. Les 4 sous-unités se situent aux 4 sommets d’un tétraèdre ménageant une cavité centrale remplie d’eau. Les poches de l’hème sont en surface, ouvertes vers l’extérieur. Les extrémités C- term sont orientées vers la cavité centrale.  Les contacts entre chaînes sont : - Importants entre chaînes différentes. - Pratiquement inexistants entre chaînes identiques. Les distances entre les 4 fers héminiques sont inégales, elles varient au cours des étapes d’oxygénation et de désoxygénation de l’hémoglobine. C Fixation de l’O2 La propriété physiologique essentielle de l’hémoglobine (transporteur O 2 poumons-tissus) est de fixer réversiblement l’oxygène. Le fer ferreux fixe une molécule d’O 2 donc 4 molécules d’O2 sont potentiellement fixées par chaque molécule d’hémoglobine. L’hémoglobine est le siège de réarrangements structuraux, elle est soumise à des transitions allostériques : addition du premier O2 difficile, addition des suivants facilitée. Dans sa forme réduite, l’hémoglobine est dans sous une forme T (tendue/réduite). Les extrémités C-ter des chaînes β (au niveau de la cavité centrale) sont reliées par une molécule de 2,3 DPG (2,3 diphosphoglycérate) qui stabilise cette forme T. L’espace entre les 4 noyaux pyrroles de l’hème est alors insuffisant pour que l’atome de fer s’intègre complètement et fixe oxygène → désoxyhémoglobine. UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines  La fixation d’une première molécule d’O2 entraîne : - La rupture du pont salin et l’expulsion du 2,3 DPG - L’élargissement de l’espace entre les noyaux pyrroles - L’élargissement des poches de l’hème Le fer peut donc bien se positionner. L’hémoglobine passe ainsi sous une forme R (relâchée/oxygénée), facilitant la fixation d’O 2 = oxyhémoglobine. Phénomène global d’ouverture = TRANSITION ALLOSTÉRIQUE. D Relargage de l’O2 La transition allostérique et la fixation de l’O2 dépendent de l’environnement. Si une cellule a utilisé tout son O 2, elle est chargée en CO2 et son pH est acide (CO2). Si l’oxyhémoglobine vient en contact avec cette cellule, le pH acide induit sa forme tendue, ce qui relargue l’oxygène, qui passe dans la cellule tandis que le CO2 se fixe à l’hémoglobine. La liaison de l’O2 par l’hémoglobine est coopérative et régulée par H+, le CO2 et le 2,3-DPG. E Liaison de l’hémoglobine au CO2 Le CO2 provenant des réactions de décarboxylation (CDK) diffuse dans le plasma puis dans les globules rouges. Une partie subit l’action de l’anhydrase carbonique : CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+  La majeure partie des bicarbonates formés retourne dans le plasma. L’autre partie du CO2 se combine à l’hémoglobine, pas avec l’hème mais avec la globine = pas à la place de l’oxygène : réaction de carbamylation, par condensation sur les fonctions NH2 terminales des 4 chaînes. Maintenant l’extrémité N-ter est bloquée mais la situation est réversible. Structure tétramérique + hétéroprotéine. F Modifications post-traductionnelles La plus importante est la condensation d’une molécule de glucose à l’extrémité N-ter des chaînes β (glycosylation). On obtient de l’Hb glycosylée : HbA1c. C’est un phénomène spontané, non enzymatique qui ne dépend que de 2 facteurs : le temps de présence de l’hémoglobine dans le sang circulant et la concentration en glucose (glycémie). Le dosage de l’HbA1c est utilisé pour surveiller l’équilibre glycémique à long terme (3 dernières semaines) chez les diabétiques (≠ glycémie spontanée/immédiate). On parle d’hémoglobine glyquée car c’est une réaction spontanée. G Pathologies liées à l’hémoglobine Les anomalies du génome des hémoglobines sont de trois ordres : - Les mutants structuraux - Les thalassémies (perte de chaines) UE1 – Biochimie Relation structure/fonction des peptides et protéines  Les mutants structuraux : Il existe plus de 500 variants structuraux. La plupart correspondent à des mutations ponctuelles (remplacement d’un AA par un autre) et sont asymptomatiques. Quelques-uns sont graves à l’état homozygote et répandus, comme l’HbS qui est la mutation d’un glutamate en β6 (GAG → GTG) par une valine. La forme homozygote de cette HbS est responsable de la drépanocytose ou anémie falciforme, surtout observée en Afrique noire. L’Hbs a une forme de faucille et a tendance à se polymériser et à précipiter sous sa forme désoxygénée, ce qui entraîne une déformation des globules rouges → plus de transport d’O2 et un risque d’obstruction des capillaires. Les porteurs d’un seul allèle muté ne souffrent que d’une forme très atténuée de la maladie. Ils gagnent même un avantage sélectif car leurs hématies sont moins sujettes à être affectées par le vecteur de la malaria : le plasmodium falciparum. Grâce à l’HbS, certaines régions d’Afrique ont pu être peuplées. La mutation n’a pas été éliminée par l’évolution et se maintient dans les régions du monde endémique : malaria. Sélection d’une mutation par rapport à un environnement particulier.  Mini récap : - Insuline → structure simple, possédant 2 chaînes en hélice alpha codé par un même gène. - Immunoglobuline → structure quaternaire avec chaînes légères et lourdes codé par 2 gènes différents - Hémoglobine → structure globulaire et tétraédrique, capable de fixer l'O 2, transition allostérique qui permet de modifier la structure (modifiant ainsi sa fonction)