Cours sur les Protéines - PDF

Les Protéines Ce sont les composés organiques les plus abondants dans les cellules: ils constituent plus de 50% de leur masse sèche. Les protéines jouent un rôle prédominant dans le fonctionnem...

Les Protéines Ce sont les composés organiques les plus abondants dans les cellules: ils constituent plus de 50% de leur masse sèche. Les protéines jouent un rôle prédominant dans le fonctionnement cellulaire. La « brique » de base qui constitue les protéines est l’acide aminé  Les Acides Aminés Il existe plusieurs dizaines d’acides aminés différents. Cependant seule une vingtaine sont COO- COO- codés génétiquement. NH3+ C H H C NH3+ R R On les classes en 5 catégories: AA sans chaîne latérale série L Série D AA dont la chaîne latérale peut Représentation en perspective être positive AA dont la chaîne latérale peut COO- COO- être négative NH3+ H H NH3+ AA dont la chaîne latérale est R R neutre AA dont la chaîne latérale est série L série D hydrophobe Représentation de Fischer  Glycine(Gly) (Acide aminoacétique Sauf pour la glycine, on distingue pour chaque acide aminé 2 énantiomères  Acides aminés Peu réactifs. hydrophobes : N'interagissent pas avec l'eau mais ils interagissent favorablement entre eux. Alanine (Ala) (Acide L-2-minopropionique) Valine (Val) (Acide 2-amino-3-éthylbutyrique Leucine (Leu) Isoleucine (Ile) (Acide 2-amino-4-méthylvalérique (Acide 2-amino-3-méthylvalérique  Acide iminé : Proline (Pro) (Acide 2-pyrrolidine-carboxylique) La forme cis est plus stable que la forme trans  Acides aminés à fonction alcool : Le OH est peu réactif chimiquement sauf par une activation particulière. Sérine (Ser) (Acide L-2-amino-3-hydroxypropionique) (L-3-Hydroxy-alanine) Thréonine (Thr) (Acide 2-amino-3-hydroxybutyrique  Acides aminés à fonction soufrée : Méthionine (Met) (Acide L-2-amino-4-méthylthiobutyrique) Met (M) Cystéine (Cys) Le résidu peu polaire et peu (Acide L-2-amino-3-mercaptopropionique réactif L'atome de soufre est Cys( C ) moyennement nucléophile Il existe plusieurs états d'oxydation mais pas du tout basique possible: en présence d'oxygène l'état Dans les protéines, il est donc final est généralement celui qui un des nucléophiles les plus correspond à la formation d'un pont forts à pH acide. disulfure. Le soufre est aussi oxydable Avec des oxydants plus puissants, il se par des oxydants puissants forme un acide sulfonique -SO3H.  Ces ponts se forment toujours Les ponts disulfure après la synthèse des protéines. La liaison est covalente, elle est relativement stable. Dans les protéines, les ponts disulfure peuvent facilement être réduits par un excès de réactifs comme le β-mercaptoéthanol ou le dithiothréitol (ou son isomère le dithioérythritol). On peut aussi casser le pont disulfure par des réactifs comme le cyanure (CN-), le sulfite (SO3-) ou l'hydroxyle (OH-).  Acides aminés chargés Résidus acides négativement : Ils sont peu différents chimiquement au niveau du C terminal. Ils sont très polaires car généralement ils sont ionisés Acide aspartique (Asp) (Acide 2-aminosuccinique) Acide glutamique (Glu) (Acide L-glutaminique)  Acides aminés à fonction Résidus amides Ce sont des groupements amidée : polaires mais peu réactifs. Leur désamination est possible aux pH extrêmes Glutamine (Gln) Asparagine (Asn) (Acide L-2-aminoglutaramique) (Acide 2-aminosuccinamique)  Acides aminés chargés Résidus basiques positivement : Compte tenu des pK, ces résidus sont généralement chargés Arginine (Arg) (Acide (S)-2-amino-5-guanidinovalérique Lysine (Lys) (Acide 2,6-diaminohexanoique Histidine (His) (Acide (S)-alpha-amino-1H- imidazole-4-propionique)  Acides aminés cycliques : Résidus aromatiques Ils sont responsables de l'essentiel de l'absorption UV et Phénylalanine (Phe) dans la fluorescence. (Acide (S)-alpha-amino-bêta- phenylpropionique) Tryptophane (Trp) Tyrosine (Tyr) (Acide (S)-alpha-amino-bêta-(3-indolyl)- (Acide (S)-3-(p-Hydroxyphényl)alanine) propionique) (Acide (S)-2-Amino-3-(p- hydroxyphényl)propionique) Nature des acides amines: Volume de Présence dans Masse Residu van der Waals les protéines (Dalton) A°(3) (%) Ala (A) 71.09 67 8.3 Arg(R) 156.19 148 5.7 Asn(N) 114.1 96 4.4 Asp(D) 115.09 91 5.3 Cys(C) 103.15 86 1.7 Pka Gln(Q) 128.14 114 4.0 Groupement latéral mesuré Glu(E) 129.12 109 6.2 Amino N-terminal 6.8-8.0 Gly(G) 57.05 48 7.2 Carboxy-terminal 3.5-4.3 His(H) 137.14 117 2.2 b-carboxy (Asp) 3.9-4.0 Ile(I) 113.16 124 5.2 g-carboxy (Glu) 4.3-4.5 Leu(L) 113.16 124 9.0 Lys(K) 128.17 135 5.7 d-guanidino (Arg) 12.0 Met(M) 131.19 124 2.4 e-amino (Lys) 10.4-11.1 Phe(F) 147.18 135 3.9 Imidazole (His) 6.0-7.0 Pro(P) 97.12 90 5.1 Thiol (Cys) 9.0-9.5 Ser(S) 87.08 73 6.9 Phenol hydroxyl (Tyr) 10.0-10.3 Thr(T) 101.11 93 5.8 Trp(W) 186.21 163 1.3 Tyr(Y) 163.18 141 3.2 Val(V) 99.14 105 6.6 Moyenne 119.4 161 pondérée Les acides aminés sont des Propriétés physico- composés amphotères, ils peuvent chimiques se comporter comme un acide (donneur de H+) ou comme une base (accepteur de H+). pH acide pH neutre pH basique COOH COO- COO- NH3+ C H NH3+ C H H2N C H R K1 R K2 R cation zwitterion anion Relation pour un acid AH (COOH) entre : Relation Acid-Base - le pKa, - les concentrations des formes protonées et déprotonées - et le pH de la forme: Pour un acide aminé, il y a deux constantes de dissociation K1 et K2 PK1 PK2 -OOC CH NH3+ R  pK1≈ 2 pK2 ≈ 9 -OOC CH NH3+ R Si pH < pK1 Si pH > pK2 la forme cationique la forme est majoritaire anionique est majoritaire Si pH = pK1 Si pH = pK2 les formes [cations] = [neutres] les formes [neutres] = [anions] Si pH = (pK1 + pK2)/2 la forme neutre est majoritaire, on parle de pHi Courbe de titration de la Glycine Courbe de titration de l’acide glutamique Courbe de titration de l’histidine  Elles permettent la détection, la Réactions chimiques mesure et l’identification des caractéristiques des acides aminés. acides aminés. D’autre réactifs réagissent avec le Réaction avec la Ninhydrine : groupement aminé pour former des Les AA sont chauffés avec un excès produits colorés ou fluorescents. de ninhydrine., ils fournissent un : 1-Fluoro-2,4-dinitrobenzène, la produit de couleure pourpe. Fluorescamine, le Chlorure de dansyle…. c’est un enchaînement d’acides Les peptides aminés. la taille varie de deux ou trois acides aminés jusqu'à des - Chaque acide aminé est aussi macromolécules contenant des appelé un résidu milliers d’acides aminés. - 2 résidus = dipeptide, 3 résidus = tripeptide - 12-20 résidus = oligopeptide - 20-100 résidus = polypeptide - au-delà de 100 = protéine deux molécules d’acides aminés peuvent être unies par covalence par une liaison amide substituée appelée liaison peptidique.  H Caractéristique de la C H C + liaison péptidique C N C N C C O O Pas de rotation possible autour de la liaison peptidique oles peptides ne contiennent qu’un groupement aminé libre et un Ionisation des peptides groupement carboxylique libre. oCes groupements s’ionisent comme chez les AA libres. oLes groupements R de certaines AA peuvent s’ioniser et contribuer aux propriétés acido-basiques globales du peptide. oLes peptides possèdent des courbes de titration et un pH isoélectrique caractéristiques. oA ce pH (Phi), ils ne peuvent pas migrer dans un champ électrique  Caractère amphotère des Les protéines sont des composés Peptides amphotères, en fonction de la - Les protéines présentent aussi un nature de leurs chaînes latérales pH isoélectrique, c’est le pH auquel elles pourront avoir un la charge globale de la protéine est comportement acide, basique ou neutre. neutre. - Ce pHi est une propriété qui peut - En fonction du pH auquel elles être mise à profit pour la purification se trouvent elles présenteront une des protéines. charge positive ou négative. elle est très diversifiée, les protéines sont en générale de très grandes Taille des protéines molécules le chymotrypsinogène bovin : La protéine peut être formée par 245 résidus d’acides aminés une seule chaîne polypeptidique ou l’apolipoprotéine B : 4536 plusieurs résidus d’acides aminés.  Les protéines conjuguées La protéine peut être liée a un groupement non protéique ( groupement prosthétique)  Réactions chimiques caractéristiques des peptides. Le résidu N-terminal d’un tétrapeptide peut être identifié par marquage avec du chlorure de dansyle ( ou le fluorodinitrobenzène) et hydrolyse des liaisons peptidiques par un acide fort. On obtient un mélange d’acides aminés dans lequel seul l’acide aminé N-terminal (la lysine dans cet exemple) est marqué clivage spécifique des polypeptides Les méthodes de détermination du Détermination de la séquence résidu N-terminal ne peuvent pas être des acides aminés d’un peptide utilisées de façon répétitive sur le même peptide car ce dernier est totalement dégradé par l’étape Dans des conditions d’hydrolyse d’hydrolyse acide.. douce, un dérivé cyclique de l’acide aminé N terminal est libéré on laissant un peptide intact amputé d’un acide aminé. La dégradation d’Edman enlève Le composé cyclique : le de façon séquentielle un seul phénylthiodantoïne acide aminé : résidu à la fois à l’extrémité N PTH-acide aminé est identifié par des terminale d’un peptide : procédés chromatographique. L’isothiocyante de phényle réagit avec le groupe N terminal non chargé du peptide pour former un Le procédé d’Edman peut être répété sur dérivé phénylthiocarbamylé. le peptide amputé. Plusieurs cycles de dégradation révéleront la séquence complète du peptide initial. Détermination de la séquence des acides aminés d’un peptide Pour la détermination de la séquence Détermination de la séquence d’acide aminé d’un long peptide ou une des acides aminés d’un protéine il est nécessaire de : peptide Réaliser d’abord un ensemble de clivages spécifiques par des méthodes chimiques ou enzymatiques, puis les On détermine les peptides de séparer par des méthodes recouvrement pour rétablir l’ordre chromatographiques de la séquence La séquence de chaque morceau de peptide est ensuite déterminée par la méthode d’Edman Le peptide obtenu par digestion chymotrypsique recouvre deux peptides trypsique. On distingue plusieurs niveaux Niveaux de structures d’organisation des protéines. d’organisation des On les classe par ordre de complexité protéines croissante: - structure primaire - structure secondaire - structure tertiaire - structure quaternaire C’est l’ordre d’enchaînement des acides aminés qui constituent la Structure primaire: protéine ou la séquence. Les acides aminés sont numérotés en partant du N-terminal en allant vers le C-terminal. La structure primaire s’écrit indifféremment en utilisant le code à 1 lettre ou le code à 3 lettres. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 MVH LT PEE KS A V T A L… 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Met Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu … N-term……………………………………………………………….C-term  Liaison peptidique la liaison C-N unissant deux aminoacides est plus courte que la plus part des autres liaisons C-N cette liaison possède un caractère de double liaison, elle ne peut pas tourner librement. Les quatre atomes de la liaison Caractéristiques de la liaison peptidique sont dans un seul plan peptidique CO-NH Les liaisons C-N rigides représente un tiers de la totalité du squelette qui ne peut pas tourner librement. Caractéristiques de la liaison peptidique Caractéristiques de la liaison peptidique Pauling et Corey ont étudié Structure secondaire : l’enroulement d’une chaîne Hélice α peptidique en respectant les contraintes imposées par les liaisons peptidiques rigides et planes (mais avec d’autres liaisons simples libres de rotation).  Structure secondaire : Cette structure hélicoïdale est Hélice α appelée hélice α, dans cette structure le squelette polypeptidique est étroitement enroulé autour de l’axe longitudinal de la molécule. Les chaînes latérales des résidus aminoacides sont dirigés vers l’extérieure du squelette hélicoÏdal. L’unité répétitive est un simple tour d’hélice qui s’étend sur environ 0,54 nm le long de l’axe longitudinal. Forces stabilisant l’ hélice α Structure secondaire : Hélice α l’ hélice α permet l’établissement de liaison hydrogène entre chaque atome d’hydrogène attaché à l’azote de la liaison peptidique et l’atome d’oxygène du carbonyle de l’aminoacide situé au dessous de lui. Chaque liaison peptidique induit des liaisons hydrogène ce qui donne à la structure une grande stabilité. Obstacles à la formation de hélice α Structure secondaire : la présence de deux résidus d’acide Hélice α glutamique voisins (chargés négativement), ou bien de résidus lysines ou arginines voisins (chargés positivement) induit une répulsion entre leurs deux chaînes latérales R ce qui déstabilise la hélice α la grande taille des chaînes latérales de certaines acides aminés (leucine, thréonine, sérine) s’ils sont voisins empêche la formation de hélice α Obstacles à la formation de hélice α Coude β la présence de résidu proline empêche aussi la formation de l’hélice α. A cause de la rigidité du noyau. Et l’absence d’hydrogène sur l’azote de la proline établissant une liaison peptidique. Sa présence interrompt l’ hélice α  les kératines α les kératines α sont riches en acides aminés compatibles avec les structures hélicoïdales α elles contiennent peu d’acides aminés incompatibles comme la proline elles sont en outre riches en cystéine qui fournissent des pont dissulfure qui permettent de lier plusieurs chaînes α entre elles qui forment des fibres de très grande puissance de cohésion.  Coude β il induit un brusque changement d’orientation de la chaîne polypeptidique c’est une structure qui forme un coude serré d’environ 180° ces coudes connectent souvent l’extrémité de deux segments adjacent de feuillet β plissé antiparallèle. Les coudes β sont souvent rencontrés à proximité de la surface d’une protéine. Les résidus glycine et proline sont souvent présents au niveau du coude β Gly est petit et flexible La liaison peptidique impliquant l’azote iminé de la proline a une configuration cis qui induit la courbure du coude β les groupement flanquant le premier acide aminé sont liés par liaison hydrogène aux groupements peptidiques flanquant le quatrième. La proline mais aussi la Thr, la Ser et Gly sont des acides aminés capables de produire des coudes qui détermine la direction et l’angle d’enroulement de la chaîne polypeptidique Les boucles sont étroitement enroulées sont stabilisées par différents types d’interactions dues à des liaisons faibles entre les groupements R des boucles adjacents (parfois par des liaison covalentes s-s) La chaîne polypeptidique est Feuillet plissé β presque entièrement étirée Conformation β Les liaisons hydrogènes s’établissent entre chaînes c’est la plus étendue des chaînes adjacentes polypeptidiques le squelette de la chaîne polypeptidique s’étend en zigzag et non en structure hélicoïdale. Les groupements R des acides aminés adjacents sont dirigés vers des directions Dans un feuillet β les chaînes opposées par rapport à la structure en polypeptidiques adjacentes sont zigzag. parallèles avec une même orientation (extrémité N à l’extrémité C terminale) ou antiparallèles (orientation opposée) Structure secondaire des protéines fibreuse Structure secondaire des protéines fibreuse Le derme de la peau est formé d'un dense treillis de fibres de collagène.  Différents facteurs affectant la structure secondaire les conformation hélice α et feuillet β confèrent une stabilité à la chaîne polypeptidique parce que la répulsion stérique est minimisée et que les liaisons hydrogène sont au contraire maximisées. Certains acides aminés s’accommodent à différents types de structures secondaires mieux que d’autres La glycine qui possède une chaîne latérale constitué par un hydrogène peut prendre des conformations qui sont stériquement interdites aux autres acides aminés. La présence de résidus gly avec pro favorise les coudes β C’est l’association de plusieurs structures secondaires: hélice α Super Structure feuillet β, coude β……. Secondaire Les chaînes latérales des acides aminés vont Structure tertiaire: pouvoir établir entre elles différents types d’interactions en fonction de leur structure chimique (interactions électrostatiques, dipolaires, hydrophobes, liaisons hydrogènes…).  Structure tertiaire: la structure tertiaire est définie comme la disposition tridimensionnelle de tous les atomes dans la protéine la structure secondaire des chaînes polypeptidiques et déterminée par la relation structurale à courte distance des résidus d’acides aminés. La structure tertiaire permet a des acides aminés éloignés d’interagir lorsque la protéine est enroulée. forces stabilisant la structure tertiaire des protéines globulaires. Quatre types d’interactions : liaisons hydrogènes entre les chaînes latérales de résidus d’aminoacides dans les boucles adjacentes de la chaîne attraction ionique entre les chaînes latérales chargées de façon opposée. Interaction hydrophobes Liaisons covalentes Parmi ces interactions la Structure tertiaire: première à prendre en compte est la polarité des acides aminés. Les chaînes latérales des acides aminés vont pouvoir établir entre elles différents types d’interactions en fonction de leur structure chimique (interactions électrostatiques, dipolaires, hydrophobes, liaisons hydrogènes…).  Structure tertiaire: Une protéine soluble (qui sera au contact de l’eau) va se replier de façon à ce que les résidus les plus polaires soient au contact du solvant. Les résidus apolaires, eux, seront au cœur de la protéine de façon à ne pas interagir avec l’eau. Les interaction hydrophobes entre les chaînes latérales d’acides aminés non polaire sont localisées dans le cœur extrêmement tassés des protéines globulaires. Une protéine globulaire dénaturé devient insoluble dans les systèmes aqueux et perd son activité biologique. Une protéine hydrophobe (qui sera insérée dans des lipides) va Structure tertiaire: se replier de façon à ce que les résidus les plus hydrophobes soient au contact des lipides qui l’entourent. Les résidus polaires, eux, seront au cœur de la protéine de façon à ne pas interagir avec ces lipides.  Structure tertiaire: Selon les conditions physicochimique du milieu extérieure ( température, Ph, Force Ionique……..) la protéine peut subir une dénaturation ( perte de la structure triaire d’une façon réversible ou irréversible. 1 : protéine nature ; 2- protéine partiellement déplissée 3-protéine dénaturée certaines protéines globulaire dénaturées par la chaleur ou les pH extrêmes retrouvent leur structure native et leur activité biologique si elles refroidissent lentement ou retournent lentement à leur pH normal. : renaturation  Myoglobine Cytochrome C La conformation tertiaire des protéines globulaires n’est pas absolument fixe et rigide, elle est capable de changée au cours du fonctionnement biologique e Cytochrome C  L'activité des enzymes est liée à la présence dans leur structure d'un site Site Actif particulier appelé le site actif qui a la forme d'une cavité ou d'un sillon Les molécules ou ligands sur lesquelles agit une enzyme sont définies comme les substrats de la réaction enzymatique. Elles se fixent dans le site actif de l'enzyme en formant des interactions avec la surface de la cavité du site actif.  Des interactions permettent Site Actif d'orienter le(s) substrat(s) pour favoriser la réaction. Les groupements fonctionnels de certains des résidus d'acides aminés qui forment la cavité du site actif peuvent alors participer à la réaction. On parle de résidus catalytiques ou de résidus du site actif. La séquence en acides aminés détermine la structure tertiaire la séquence en AA sur un court segment détermine la structure secondaire la séquence en AA sur un long segment détermine la structure tertiaire C’est l’association de plusieurs chaînes Structure quaternaire: peptidiques pour donner un complexe stable et actif. Les chaînes qui constituent ce Structure quaternaire: complexe sont des protomères ou sous-unités, chacune ayant une structure tertiaire définie. L’association des différentes chaînes se fait via des immunoglobuline liaisons faibles et parfois aussi via des ponts disulfures. Myosine Actine  Contraction musculaire Fibre musculaire Contraction musculaire Une immunoglobulines est formée de immunoglobuline deux chaînes lourdes (m, g, a, d ou e) et de deux chaînes légères (k ou l)  immunoglobuline Organisation des domaines  Transport membranaire  Transport membranaire  Récepteur nicotinique nicotine C’est un alcaloïdes présent chez La nicotine (qui doit son nom à Jean les solanacées, surtout les Nicot qui a introduit le tabac en France) feuilles de Tabac La nicotine a été découverte en 1809 La nicotine par ces propriétés par louis Nicolas Vauquelin, professeur insecticides et fongicides de chimie à l’École de médecine de protège la plante des insectes Paris, et isolée en 1828 par deux savants allemands, Wilhelm Heinrich Posselt et Karl Ludwig Reimann.  Le récepteur nicotinique de Récepteur nicotinique l'acetylcholine est un récepteur ionophore perméable aux ions sodium et potassium (canal cationique non spécifique),  Il fait partie de la super-famille des récépteurs-canaux nicotinoïdes  La nicotine est un agoniste de ces récepteur nicotine Cycle de fonctionnement du récepteur nicotinique cérébrale