Cours de Biochimie - UE Biologie - Sorbonne Paris Nord

 SOCLE COMMUN UE BIOLOGIE Cours Matière Titre du cours Date Professeur...

 SOCLE COMMUN UE BIOLOGIE Cours Matière Titre du cours Date Professeur vu 01 – ACIDES AMINÉS 1/2 27/09 Pr. Schischmanoff 01 – ACIDES AMINÉS 2/2 27/09 Pr. Schischmanoff Biochimie 03 – BIOÉNERGÉTIQUE/ INTRODUCTION AU 2709 Pr. Schischmanoff MÉTABOLISME 04 – LES MONOSACCHARIDES 27/09 Pr. Gardano  SOCLE COMMUN  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biochimie & Biologie moléculaire 01 – ACIDES AMINÉS 1/2 Points clés ❖ Connaître la structure et les propriétés des acides aminés ❖ Connaître les 9 acides aminés essentiels. ❖ BON COURAGE !!! ON CROIT EN VOUS !  PLAN DU COURS I. INTRODUCTION A. La cellule, lieu d’intégration spatiale, structurale et métabolique B. Les protéines II. Généralités A. Structure générale des acides aminés B. Classification C. Chaîne latérale III. Classification A. Acides aminés hydrophobes B. Acides aminés hydrophiles C. Acides aminés amphipathiques IV. Propriétés physiques A. Asymétrie B. Propriétés optiques C. Absorption moléculaire D. Polarité des acides aminés Université Sorbonne Paris Nord 2 sur 22  I. INTRODUCTION A. La cellule, lieu d’intégration spatiale, structurale et métabolique ♦ Ce sont des systèmes extrêmement compactés contenant de nombreuses structures biochimiquement différentes dans un univers très contraint. Intégration spatiale o Le cytoplasme de la cellule est un endroit rempli de molécules diverses (glucides, lipides, protéines). o Et toutes ces molécules vont interagir entre elles (grâce à leur affinité ou leur concentration suffisante). ♦ Les membranes sont constituées de molécules de compositions diverses : o Lipopolysaccharides (lipides associés à des glucides). o Lipoprotéines (lipides associés à des protéines). Intégration o Peptidoglycanes (peptides associés à des glucides) structurale ♦ Ces structures sont associées ensemble ce qui donne une richesse de biomolécules extrêmement importante. ♦ Les protéines peuvent être liées à des lipides et/ou des glucides qui en modifient les propriétés = multitude de combinaisons formant des molécules avec des activités biologiques différentes. ♦ Niveau fonctionnel. ♦ Par exemple à partir du glucose (et par le biais de phénomènes appelés interrelations métaboliques) et des différents composés qui proviennent de la dégradation du glucose on pourra former : o Des acides aminés Intégration métabolique o Des acides gras o Des précurseurs des acides nucléiques : ADN, ARN (pyrimidines) ♦ Puis le cycle de Krebs permet de générer : o Des acides gras o Des acides aminés o D’autres précurseurs dérivés de l’ADN o Dérivés précurseurs de l’hémoglobine. ♦ Tous ces métabolismes sont reliés les uns aux autres. Université Sorbonne Paris Nord 3 sur 22  I. INTRODUCTION B. Les protéines ♦ Les protéines sont composées d’acides aminés. o La nature et l’ordre dans lequel les acides aminés sont liés les uns aux autres vont conférer aux molécules des aspects différents. o L’ordre dans lequel les acides aminés sont liés les uns aux autres est appelé la séquence peptidique. ♦ Les acides aminés des protéines (21 acides aminés protéinogènes) sont très différents les uns des autres avec des propriétés différentes (acide, basique, soluble…) mais avec des affinités préférentielles les uns pour les autres. Agencement dans ♦ L’affinité entre certains acides aminés va favoriser le repliement de la chaîne l’espace protéique dans l’espace. Il va y avoir formation d’une structure dans laquelle les acides aminés éloignés les uns des autres dans la séquence peptidique vont se retrouvés rapprochés dans l’espace. ♦ Il y aura donc des côtés hétérogènes (charges différentes/ pas de charge des acides aminés) dans la molécule. ♦ Finalement cette protéine aura une identité propre qui lui permettra d'interagir avec des récepteurs à la surface des membranes qui lui seront spécifiques. ♦ L’insuline est une hormone permettant de diminuer le taux de sucre dans le sang en favorisant l’entrée de glucose dans les cellules. o Elle va agir sur des récepteurs spécifiques à l’insuline et possède une identité propre. o Son déficit dans l’organisme est associé à une pathologie : le Exemple de diabète. l’insuline ♦ Composition chimique de l’insuline : o Elle est composée de 2 chaînes : A et B, avec des structures propres à elles (insuline 🡪 protéine globulaire). ♦ Et pourtant ces molécules sont associées entre elles par des liaisons covalentes résultant en la construction d’un édifice en 3D doué d’une activité biologique : une hormone. Université Sorbonne Paris Nord 4 sur 22  I. INTRODUCTION B. Les protéines (suite) Ce sont les macromolécules les plus polyvalentes dans la cellule. Elles ont des rôles : o De liaison : certaines vont pouvoir se fixer sur l’ADN et jouer un rôle dans la régulation de l’expression de gènes : on parle de facteur transcriptionnel. o Dans le métabolisme : l’insuline ou hormone de croissance. o De structure : l’actine (polymère de sous-unités) est une molécule qui compose les fibres musculaires. Rôle des protéines o De catalyseur biologique : sans les enzymes, il ne se passerait rien dans l'organisme. o De transport : cas de l’albumine (60g/L de sang) qui permet de transporter des hormones et d’autres types de composés. o De commutateurs de signalisation : rôle dans la transmission du signal d’un d’endroit de la cellule à un autre. Certaines protéines comme la protéine RAS (rôle dans la prolifération cellulaire) peuvent changer de structure avec une forme active et une forme inactive. En fonction des modifications subies, on o aura une structure différente mobile. Université Sorbonne Paris Nord 5 sur 22  II. GÉNÉRALITÉS A. STRUCTURE GÉNÉRALE DES ACIDES AMINÉS ♦ Les acides aminés sont constitués de molécules de carbone avec une structure tétraédrique. ♦ Les différents composés des acides aminés sont : o Un groupe carboxyle. Carbone α o Une fonction amine. o Un atome d’hydrogène. o Un groupe R (chaîne latérale). ♦ On a donc un carbone avec la possibilité de former 4 liaisons covalentes avec des groupements divers. ♦ On nomme les carbones à partir du Cα (carbone adjacent), Cβ, Cγ...Ce sont des acides α aminés. ♦ Fonction Acide : cède des protons dans le milieu et donc baisse le pH de la solution. o Donc la fonction carboxylique COOH va se dissocier dans la Rappels de Chimie nature en solution aqueuse et à pH physiologique (=7,4) pour devenir COO-. o Cette fonction est chargée négativement. ♦ Fonction Amine 🡪 basique : captent des protons dans la nature à pH physiologique 7,4 et en solution aqueuse pour devenir NH3+. o Cette fonction est chargée positivement. Université Sorbonne Paris Nord 6 sur 22  II. GÉNÉRALITÉS A. STRUCTURE GÉNÉRALE DES ACIDES AMINÉS Tous les acides aminés ont des fonctions communes liées à cette structure générique. Et aussi des fonctions particulières qui dépendent de la nature de la chaîne latérale Les propriétés des chaînes latérales sont extrêmement importantes. Les 2 parties des acides aminés On doit donc séparer l’acide aminé isolé de l’acide aminé inclus à l'intérieur d’une protéine : - Quand il est isolé, les propriétés de cet acide vont dépendre de la fonction carboxylique, de la fonction amine et de la chaîne latérale. - Quand il est inclus à l’intérieur d’une chaîne protéique, les propriétés dépendent uniquement de la chaîne latérale. II. GÉNÉRALITÉS B. CLASSIFICATION ♦ Il existe 21 acides aminés protéinogènes. Acides Aminés ♦ Certains acides aminés vont dériver de quelques-uns des acides constituants aminés constituants les précédents = modifications enzymatiques post des protéines traductionnelles : o Modifications de type oxydation. o Proline peut être oxydée en Hydroxyproline o Lysine oxydée en Hydroxylysine o Cystéine peut être oxydée en Cystine ♦ Le 21ème acide aminé est la Sélénocystéine, découvert récemment, rare, elle est un analogue de la Cystéine dans lequel l’atome de Soufre est remplacé par un Sélénium (Se). Université Sorbonne Paris Nord 7 sur 22  II. GÉNÉRALITÉS B. CLASSIFICATION (suite) ♦ Ce sont des molécules qui appartiennent au métabolisme intermédiaire. Acides Aminés non ♦ Elles seront utiles à un moment donné pour faire des liens entre le métabolisme des constituants des acides aminés, son catabolisme, le métabolisme des glucides, des lipides … protéines ♦ Ces composés ont un rôle important car peuvent jouer le rôle de transfert (des groupements hydroxyles ou amines). o Exemple : la Citrulline (intervenant dans le cycle de l’urée). Elle ne sert pas à la synthèse protéique. ♦ Il en existe plus de 300. ♦ Il s’agit d’une molécule que l’Homme est incapable de synthétiser. ♦ Le corps humain ne sait pas synthétiser les noyaux aromatiques et les ramifications. Ils doivent donc être apportés par l’alimentation. Les 9 Acides Aminés ♦ Ils sont à connaître par cœur : indispensables o Histidine (HIS) pour l’Homme o Leucine (LEU) o Thréonine (THR) o Lysine (LYS) o Tryptophane (TRP) o Phénylalanine (PHE) o Valine (VAL) o Méthionine (MET) o Isoleucine (ILE) Moyen mnémotechnique : Hystérique le très lyrique Tristan fait vachement méditer Iseult AAs non ♦ Proviennent des interrelations métaboliques entre la glycolyse, la voie des pentoses indispensables phosphates et le cycle de Krebs. Université Sorbonne Paris Nord 8 sur 22  II. GÉNÉRALITÉS C. CHAINE LATÉRALE... ♦ Ici on s’intéresse aux propriétés physicochimiques des acides aminés liées à la nature de la chaîne latérale R (chaîne Radicalaire). … varie en fonction de ♦ Leur forme dans l’espace. ♦ Leur taille. ♦ Une variation de réactivité chimique et physique (basicité ou acidité) et … vont représenter donc la charge que va prendre la molécule. ♦ Une variation de solubilité dans l’eau et donc la polarité ♦ Certains sont plutôt à l’extérieur ou à l’intérieur de la protéine. ♦ D’autres au niveau du site actif des enzymes. … permet aux acides ♦ Certains au niveau du site d'interaction protéique entre : aminés de se spécialiser o Un antigène/anticorps o Une hormone et son récepteur o Les différentes sous-unités ♦ Entre interfaces d’un milieu lipidique et d’un milieu aqueux. Université Sorbonne Paris Nord 9 sur 22  III. CLASSIFICATION A. ACIDES AMINES HYDROPHOBES ♦ Très faible affinité pour l’eau. o Ils vont repousser l’eau ou vont être repoussé par l’eau. ♦ Très peu soluble dans l’eau. ♦ Leur chaîne latérale comporte uniquement des atomes de Carbone et d’Hydrogène. o Sauf la Proline qui comporte un atome d’Azote. ♦ Très peu polarisés = ils sont apolaires (pas de pôle +/-), ils se comportent comme des chaînes de lipides. (Gly) (Ala) (Val) (Phé) (Leu) (Ile) (Pro) Ramifié Ramifé Université Sorbonne Paris Nord 10 sur 22  III. CLASSIFICATION B. ACIDES AMINES HYDROPHILES ♦ Leur chaîne latérale comporte des atomes de Carbone et d’Hydrogène mais aussi de l’Oxygène, du Soufre, de l’Azote. ♦ Ils ont une affinité pour l’eau, ils sont donc solubles dans l’eau. ♦ Leur structure est variée avec des acides aminés qui ont des chaînes latérales basiques ou des acides aminés qui ont des chaînes latérales acides. ♦ Il y a donc une polarité des liaisons : ils sont polaires (présence de charges +/- dans la chaîne latérale (à pH physio)). o Ce qui permet aux acides aminés d'interagir avec l’eau. (Asp) (Glu) (His) Acide Acide (Arg) Noyau Imidazole Noyau Guanidinium * (Ser) (Cys) (Asn) (Gln) R = CH2 - avec une R = fonction thiol SH Fonction Fonction Amide fonction alcool. amide ** Université Sorbonne Paris Nord 11 sur 22  III. CLASSIFICATION C. ACIDES AMINES AMPHIPATHIQUE ♦ Ils ont des propriétés à la fois des acides aminés hydrophobes et à la fois des propriétés des acides aminés hydrophiles. ♦ Idéaux pour former des interfaces. (Thr) 2 Carbones asymétriques (Lys) Structure proche des (Met) Basique glucides Région hydrophile NH3 Région hydrophobe 4 CH2 (Tyr) (Trp) Parahydroxyphénylalanine R = noyau indole Région polaire : OH Région hydrophobe : noyau Région apolaire : noyau aromatique aromatique Très fragile Non indispensable Acide Aminé le plus rare Université Sorbonne Paris Nord 12 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES A. ASYMÉTRIE ♦ Les acides aminés sont des molécules asymétriques. ♦ Ce Carbone α a 4 groupements différents qui l’entourent. o Sauf la glycine qui est symétrique. ♦ La présence de ce carbone asymétrique permet d’avoir une molécule chirale (non superposable !). Carbone α asymétrique ♦ On a donc deux acides aminés qui ont la même constitution chimique, le même poids, le même volume, la même charge, la même polarité mais dans l’espace ils vont se comporter différemment. ♦ Une enzyme pourra reconnaître un acide aminé mais pas l’autre. ♦ Si la fonction amine est sur la gauche alors cet acide aminé appartient à la série L (left). ♦ Si la fonction amine est sur la droite alors cet acide aminé appartient Représentation de à la série D (droite). Fisher ♦ Les acides aminés qu’on trouve dans les protéines, dans les végétaux et dans les animaux sont plutôt de la série L. ♦ Les acides aminés de la série D on les trouve dans les bactéries, les peptides antibiotiques et aussi dans les glycopeptides bactériens. Université Sorbonne Paris Nord 13 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES B. PROPRIÉTÉS OPTIQUES ♦ Les molécules asymétriques dévient la lumière polarisée, cette déviation de la lumière est appelée le pouvoir rotatoire. Elles sont optiquement actives. ♦ Tous les acides aminés ont cette propriété SAUF la glycine. o Certains acides aminés peuvent dévier la lumière vers la droite : on les appelle acides aminés dextrogyres (+). o D’autres acides aminés peuvent dévier la lumière vers la gauche : acides aminés lévogyre (-). o Néanmoins le fait de se dire que l’acide aminé appartient à la série L ne veut pas dire qu’il est lévogyre. Car il y a des acides aminés de la série L qui sont dextrogyres et des acides aminés de la série D qui sont lévogyres. ♦ La raison de la déviation vers la gauche ou la droite dépend de la taille des différents substituants autour du carbone asymétrique. ♦ Il est possible de relier l’intensité de cette déviation à la concentration de l’acide Pouvoir aminé pour mesurer le pouvoir rotatoire grâce à la loi de Biot : rotatoire ♦ Avec : o A° = rotation observée en degrés. o [α]𝜆T = le pouvoir rotatoire spécifique d’un acide aminé à une température T (25°C) et à une longueur d’onde λ (589,3 nm qui correspond à la raie D du sodium). o Exprimé en °x ml/g/dm o l = trajet optique en dm. o c = concentration de l’acide aminé en g/ml. ♦ En solution, les pouvoirs rotatoires d’un mélange d’acides aminés s’additionnent. o Deux acides aminés dextrogyres ensembles => pouvoirs rotatoires s’additionnent et donc augmentation de la déviation vers la droite. o Un acide aminé dextrogyre (+) avec un acide aminé lévogyre (-) leurs pouvoirs rotatoires s’additionnent mais à la fin le pouvoir rotatoire diminue. ♦ Attention le pouvoir rotatoire de la glycine est de 0° du fait de sa structure symétrique. Université Sorbonne Paris Nord 14 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES C. ABSORPTION MOLÉCULAIRE DES ACIDES AMINÉS ♦ Mesure par spectrophotométrie → spectre d’absorption moléculaire (graphe avec absorbance de la molécule en fonction de la longueur d’onde) → on s’intéressera particulièrement au pic d’absorption maximale. ♦ Seuls 3 AAs aromatiques sont concernés grâce à̀ leurs noyaux aromatiques : o Phénylalanine o Tyrosine o Tryptophane ♦ Ces 3 molécules ont une propriété très particulière : absorbance dans l’UV proche (entre 260 et 290nm). ♦ Donc les autres AAs qui n’ont pas de noyaux aromatiques dans leur chaîne latéral ne vont pas absorber à ces longueurs d’ondes. ♦ On observe une absorbance maximale à : o 260 nm pour la Phe o 275 nm pour la Tyr o 280 nm pour le Trp Absorption ♦ En principe, l’absorbance des Tyr est prépondérante. moléculaire ♦ La mesure de l’absorbance permet de quantifier, par le biais de la loi de Beer-Lambert, des AAs ou des protéines qui contiennent des AAs aromatiques en se plaçant dans ces longueurs d’ondes. ♦ Si l’on se place vers les plus faibles longueurs d’onde, on aura une absorption très importante de tous les AAs, mais pour pouvoir les mesurer, cela revient à très cher. ♦ Ainsi d’autres techniques sont également utilisées pour doser les protéines. Par exemple la technique colorimétrique : utilisation de colorant dont la couleur va se modifier en fonction de la présence des protéines. ♦ Or dans le cas des protéines de très petites tailles, des petits peptides (10-15 AAs), on arrive plus à calibrer les techniques de façon très claire car l’affinité de ces petits peptides pour le colorant va varier en fonction de la nature des AAs. Cela peut engendrer des erreurs énormes de dosage. ♦ Cependant, si parmi les composants de ces petits peptides, il y a présence d’AAs aromatiques, on se placera alors à la longueur d’onde d’absorption de l’AA aromatique car cela sera beaucoup plus facile et précis pour quantifier cette molécule. Université Sorbonne Paris Nord 15 sur 22  C. ABSORPTION MOLÉCULAIRE DES ACIDES AMINÉS Détails sur la tyrosine et le tryptophane ♦ Acide aminé aromatique et possédant la plus grande chaîne latérale. ♦ Le radical est un méthyle suivi d’un noyau indole. ♦ Le tryptophane : o Est amphipathique (à la fois un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile) o Est fragile, détruit par les acides minéraux (ne peut être isolé dans les Tryptophane hydrolysats acides des protéines) Trp (W) o Absorbe dans l’UV à 280 nm. o Est le plus rare des acides aminés (- de 1%) (hors élénocystéine) ♦ Le noyau aromatique de la tyrosine est le parahydroxyphénylalanine. ♦ Le radical est un méthyle suivi d’un cycle benzénique hydroxylé. ♦ La fonction phénol est très faiblement acide. ♦ Dans certaines conditions, la fonction hydroxyle phénolique peut céder ou accepter un proton : 𝑂𝐻 ⟹ −𝑂! + 𝐻"(oxydation) ou 𝑂! + 𝐻" ⇒ 𝑂𝐻 (réduction). ☐ Il peut être impliqué dans des réactions d’oxydo-réduction. Tyrosine ♦ La tyrosine est un radical fréquent dans les sites catalytiques (sites actifs) Tyr (Y) des enzymes. ♦ C’est un acide aminé non indispensable (sauf en absence de phénylalanine). ♦ La tyrosine absorbe dans l’UV à 275 nm. ♦ La fonction hydroxyle apporte polarité et hydrophilie malgré le noyau benzénique hydrophobe, c’est donc un acide aminé amphipathique. Université Sorbonne Paris Nord 16 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES D. POLARITÉ DES ACIDES AMINÉS ♦ La polarisation d’une liaison covalente découle de la différence d’électronégativité (=EN) (aptitude d’un atome à attirer les électrons) des atomes impliqués. → Si deux atomes ont des EN égales, le partage des électrons est équitable alors la liaison ne sera pas polarisée (ex : H2) 🡪 liaison non polarisée. →Si les électronégativités des atomes sont différentes, on observe alors la création d’un moment dipolaire qui va de l’électronégativité δ- → δ+ (l’atome le + électronégatif attire le + d’électrons) (ex : OH = dipôle) 🡪 liaison polarisée. Acides aminés polaires ♦ Rappel sur l’électronégativité : o Les atomes O, N et S sont plus électronégatifs que l’atome d’H. o Les fonctions acide carboxylique, amine, hydroxyle, thiol sont polarisées (car ils ont des atomes très électronégatifs). o Toutes ces liaisons polarisées vont pouvoir interagir avec d’autres liaisons polarisées, c’est ce qui se passe notamment avec les molécules d’eau qui sont hydrophiles. ♦ Il existe deux types d’AA polaires : les polaires chargés et les polaires non chargés. Université Sorbonne Paris Nord 17 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES D. POLARITÉ DES ACIDES AMINÉS (suite) Les AAs polaires chargés vont posséder : o Soit une fonction acide carboxylique, o Soit une fonction basique dans leur chaîne latéral. AAs acides : Asp ; Glu AAs basiques : Arg ; Lys ; His Les acides vont s’ioniser en milieu aqueux → perte d’un H+ → perte d’une charge + → se retrouve avec une charge – Acides aminés polaires chargés Inverse pour les bases (captent une charge +). On parle d’AAs polaires chargés car ils possèdent une charge entière à pH physiologique. Ces AAs vont pouvoir développer un certain nombre d’interaction particulières : o Interactions électrostatiques (ex : fonction amine chargée +) o Interactions ion-dipôle ♦ La force de cette interaction dépend de : o La distance entre groupes concernés o L’environnement (notamment la constante diélectrique du milieu). → Interaction plus ou moins “masquée” par les molécules d’eau. ♦ Dans un milieu de forte constante diélectrique, comme l’eau par exemple, les molécules d’eau vont venir se placer entre les deux atomes Interactions et vont avoir tendance à tamponner cette interaction et à la diminuer. On électrostatiques dit que les molécules d’eau vont masquer (pas totalement) cette interaction électrostatique. ♦ Ainsi, l’interaction peut être moins forte dans l’eau mais très forte dans une région non polaire (comme à l’intérieur d’une protéine). ♦ Cela montre toute la diversité structurale et fonctionnelle que l’on peut avoir avec les mêmes atomes en fonction d’un contexte biologique différent. Université Sorbonne Paris Nord 18 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES D. POLARITÉ DES ACIDES AMINÉS (suite) ♦ Les AA polaires chargés vont développer des interactions avec des dipôles qui peuvent être des molécules d’eau, des groupements NH3, des groupements hydroxyles... Interactions de type ♦ ion-dipôle ♦ Les molécules d’eau se comportent comme des petits dipôles. En effet, l’atome d’O de l’eau est plus électronégatif que ses atomes d’H. Les électrons sont donc plus proches de l’atome O que des H. On peut donc considérer qu’il y a une charge δ+ sur chacun des atomes d’H et une charge 2δ- sur l’atome d’O. Ainsi les molécules d’eau vont développer des interactions ions/dipôle avec les AAs chargés. ♦ Puisqu’il y a des interactions possibles, il y a une affinité : une hydrophilie. Ainsi, les AAs polaires ont une forte affinité pour les molécules d’eau. Avec le fait que, bien souvent, les AAs sont beaucoup plus gros que les molécules d’eau, il va donc y avoir plusieurs molécules d’eau qui vont interagir avec un groupement chargé (qui sera + ou -). Conséquences o C’est donc pour cela que les interactions électrostatiques sont (interactions ions-dipôle) masquées par les molécules d’eau. ♦ L’insuline comporte à sa surface des régions chargées (+ ou -) susceptibles d'interagir avec les molécules d’eau, ce qui va lui apporter une solubilité, importante pour sa fonction biologique. ♦ Ainsi, l’insuline va être véhiculée par le sang (dans la partie aqueuse) dans l’organisme, de son lieu de synthèse (pancréas) vers les organes cibles (cœur, muscle). Cela est donc permis par sa structure et à la présence de charges + / - à sa surface qui la rendent hydrosoluble. ♦ La nomenclature des AAs à trois lettres sont à connaître, mais pas celle à une N.B. lettre. Université Sorbonne Paris Nord 19 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES D. POLARITÉ DES ACIDES AMINÉS (suite) Les acides aminés acides (=2) ♦ AAs avec fonction carboxylique dans leur chaîne latérale ♦ L’acide aspartique est plus acide que l’acide glutamique par effets inducteurs (cf chimie orga). ♦ Le pK traduit la force de l'acide. Plus il est faible plus l’acide est fort. ♦ Fonction carboxylique, à pH physiologique (pH=7,4), partiellement dissociées = donc charge négative sur la chaîne latérale : COO- ♦ Cette charge négative va permettre des interactions électrostatiques avec des AAs dont les chaînes latérales sont chargées positivement (+ et – interagissent ensemble). ♦ Ces interactions sont importantes dans la structure tridimensionnelle des protéines. Elles ne se manifestent pas seulement en intra-protéique, mais aussi en inter-protéique→ sites de liaisons entre émetteur/récepteur, antigène/anticorps etc... ♦ En termes de répartition l’acide aspartique correspond à 6% des AA et l’acide glutamique à 9%. ➔ Ces groupes sont donc importants fonctionnellement. IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES D. POLARITÉ DES ACIDES AMINÉS (suite) Les acides aminés basiques (=3) ♦ Elles ont 6 atomes de carbones, d’où également appelés “bases hexaniques”. ♦ Fonction amine = donc grande affinité pour H+ = extrémité très basique (pK=10,8). Lysine ♦ Région apolaire avec 4 CH2 + région très polaire avec NH3 => d’où AA amphipatique. ♦ Noyau guanidinium = affinité +++ pour H+ car lorsque la molécule fixe 1 H+, les électrons π de la double liaison C=N peuvent être délocalisées par mésomérie (pK=12,8). La molécule est donc plus stable une fois protonée. Arginine ♦ Donc, grande stabilité́ à la forme protonée = grand pouvoir basique (elle apprécie fortement les protons H+) = chargée positivement à pH physiologique. ♦ Pour être amphipatique, il faut deux extrémités bien distinctes. Or le noyau guanidinium prend une place très importante dans l’espace et masque alors complètement le CH2-CH2-CH2. C’est pourquoi à la différence de la lysine, l’arginine est hydrophile et ne présente pas de caractère amphipatique. ♦ Inversement, la charge positive à pH physiologique est très importante pour les structures tridimensionnelles, notamment dans les interactions inter- protéiques. Université Sorbonne Paris Nord 20 sur 22  IV. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES D. POLARITÉ DES ACIDES AMINÉS (suite) Les acides aminés basiques (=3) (suite) 2 atomes d’azote dont l’un peut capter un proton. pK de 6,0 = base faible Elle capte un proton avec une faible affinité et peut donc le Histidine libérer si nécessaire C’est pourquoi elle participe à des réactions d’oxydo-réduction car sa faible affinité en fait un excellent échangeur de protons. On la trouve donc au niveau des sites catalytiques d’enzymes, où elle joue le rôle d’échangeur des protons. Université Sorbonne Paris Nord 21 sur 22 Université Sorbonne Paris Nord 22 sur 22  UE – Socle Commun Biochimie & Biologie moléculaire 02 – ACIDES AMINÉS 2/2 Points clés ❖ Relation hydrophilie / solubilité / liaison hydrogène ❖ Interactions hydrophobes ❖ Propriétés ioniques des AAs : calculer un pHi, ionisation en fonction du pH ❖ Liaison peptidique ❖ Différencier et caractériser les différentes structures protéiques 1 Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny PLAN DU COURS I. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES ACIDES AMINÉS (suite) A. Polarité des acides aminés (suite) 1. AAs polaires non chargés 2. AAs à fonction amide 3. AAs alcool 4. AAs non polaires B. Propriétés ioniques 1. pHi 2. exemple de calcul du pHi de l’aspartate II. PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES ACIDES AMINÉS III. STRUCTURES ET PROPRIÉTÉS DES PROTÉINES A. Peptides B. Conformation tridimensionnelle des protéines 1. structure secondaire 2. structure tertiaire 3. structure quaternaire Université 2 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny I. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES ACIDES AMINÉS (suite) A. Polarité des acides aminés (suite) 1. AAs polaires non chargés Les groupements R comportent des hétéro-atomes (= atomes nautres que le carbone ; cad : O,N,S), fortement électronégatifs (portant un (des) doublet(s) non liant(s)) - Polarisation partielle des liaisons O-H ; N-H ; S-H. - Formation : 1. d’interactions dipôle-dipôle et ion-dipôle Généralités 2. de liaisons hydrogènes (avec les molécules d’eau) Exemples : o Asparagine (Asn) o Thréonine (Thr) o Glutamine (Gln) o Tyrosine (Tyr) o Serine (S) o Cystéine (Cys) Interaction faible. Elle correspond à une liaison chimique qui s’adapte, se forme et se déforme facilement. Elle provient de l’interaction électrostatique entre un atome plus électronégatif que l’hydrogène (hétéro-atome) portant au moins un doublet non liant (noté B) ET un atome d’hydrogène lié à un autre atome électronégatif, c’est-à-dire engagé dans une liaison dite polarisée. Liaison covalente ~0,1 nm / liaison hydrogène ~0,2 nm Liaison hydrogène CONSÉQUENCE +++ : - Tout composé capable de réaliser des liaisons hydrogènes avec une molécule d’eau est hydrosoluble. - Toutes les molécules polarisées vont pouvoir développer des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau → on parle d’hydrophilie. Université 3 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny A. Polarité des acides aminés 1. AAs polaires non chargés (suite) ♦ Les AAs polaires (chargés ou non) peuvent développer des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau environnantes ➔ Ils sont hydrophiles. Liaison hydrogène et hydrophilie ♦ Dans les protéines hydrosolubles, les AAs à chaîne latérale hydrophile sont localisés plutôt à la surface (pour interagir avec les molécules d’eau). → Ex : Dans l’insuline, les AAs polaires sont localisés à la surface pour les interactions avec les molécules d’eau. Les AAs hydrophobes sont plutôt à l'intérieur pour contribuer à faire une superstructure. ♦ Dans les protéines liposolubles, c’est l’inverse : les AAs hydrophiles se logent davantage à l’intérieur pour y jouer un rôle de structure. ♦ Pour des molécules comportant beaucoup d’atomes, tels que les AAs, il y a coexistence de parties hydrophiles (zones chargées, zones polaires de la molécule) et de parties hydrophobes (zones apolaires). ♦ Tous les α-amino acides possèdent une structure identique constante. Cette région constante comporte des hétéroatomes capables d’interagir avec les molécules d’eau. Ainsi tous les AAs sont solubles dans l’eau. ♦ En revanche, la solubilité globale des différents AAs dépend de la nature de leur chaîne latérale R et donc de la solubilité de cette même chaîne (partie variable). ♦ Ainsi, la différence de solubilité entre deux AAs s’explique par des différences d’affinité de leur chaîne latérale vis-à-vis des molécules Relation directe d’eau (affinité qui dépend elle-même de leur capacité à réaliser avec ces polarité / molécules des liaisons hydrogènes). hydrophilie Ex : L’asparagine et la leucine sont toutes deux solubles dans l’eau en raison de leur partie constante. Cependant, leur chaîne latérale sont différentes. Ceci rend donc l’asparagine beaucoup plus soluble que la leucine en comparaison. Université 4 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny A. Polarité des acides aminés 2. AAs à fonction amide ♦ L’asparagine (Asn) et la glutamine (Gln) possèdent au niveau de leur chaîne latérale un groupement amide CO-NH2. En effet, les fonctions carboxyliques des acides aspartiques et glutamiques ont été acidifiées par une molécule d’ammoniac. → Ce sont les formes amides des acides aspartiques et glutamiques. ♦ Cette amidification va modifier les propriétés physiques de ces AAs : - Elle masque les propriétés de la fonction acide (perte de la fonction acide carboxylique COOH donc plus de possibilité de libérer des protons). - Acides aminés chimiquement neutres = pas de charge négative à pH physiologique ; mais qui présentent des radicaux polaires non chargés ➔ molécule hydrophile. ♦ Asn : 3% des AAs Gln : 9% des AAs A. Polarité des acides aminés 3. AAs Alcool La sérine : ♦ Représente 4% des AAs. ♦ Homologue hydroxylé de l’alanine ♦ Présente une fonction alcool primaire en β (CH2-OH) - Polaire non chargé (oxygène) - Hydrophile - Acide (très faible) → permet l’échange de protons - Intervient dans les réactions d’oxydo-réduction au niveau des sites actifs enzymatiques. - Peut réaliser des interactions dipôle-dipôle pas très fortes car il y a des chaînes polarisées pour contribuer à stabiliser un édifice moléculaire. NB : Sérine, tyrosine et histidine sont fréquemment rencontrés au niveau des sites actifs des enzymes. ♦ Ser et Thr (AAs à fonction hydroxyle) peuvent être estérifiées par l’acide phosphorique (H3PO4) grâce à un processus de phosphorylation catalysé par des phosphorylases (ou protéines kinases) ➔ greffe d’un acide phosphorique au groupement hydroxyle de la chaîne latérale de la sérine ➔ formation d’un ester phosphorique. ♦ Ce mécanisme constitue l’une des principales modifications post-traductionnelles des protéines qui concourt à la régulation de l’activité biochimique des protéines (phospho-sérine) : inhibition ou activation. Université 5 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny A. Polarité des acides aminés 3. AAs alcool (suite) ♦ La protéine p53 (gardienne du génome) est activée lors de l’altération de l’ADN. → Elle se tétramérise et participe à l’augmentation de l’expression des gènes codant pour des protéines œuvrant à la réparation de l’ADN (activité transcriptionnelle) et à la survie cellulaire. Exemple de la Ex : La mélanine est une protéine induite par le p53 pour protéger la peau face à une exposition protéine p53 au Soleil. ♦ P53 est activée au niveau de son extrémité amino-terminal possédant de nombreux sites de phosphorylation portés par des AAs dont la chaîne latérale est hydroxylée : sérine, thréonine, tyrosine. A. Polarité des acides aminés 4. AAs non polaires ♦ Les chaînes latérales sont formées presque exclusivement d’atomes de carbone et d’hydrogène (longues chaînes hydrocarbonées). → Pas de liaison hydrogène → Pas d’interaction avec l’eau Absence de → Présence de groupements hydrophobes polarité et Ex : Mémo : la fée Iso et Glycine Avaleu de la Praline. hydrophobie Phé Val Ala Leu Pro o Alanine (Ala) o Isoleucine (Ile) o Glycine (Gly) o Proline (Pro) o Valine (Val) o Phénylalanine (Phe) o Leucine (Leu) ♦ La valine : - Radical : carbure saturé et ramifié = groupe isopropyl (3C). - Molécule apolaire et hydrophobe - Peut former des liaisons faibles : liaisons AA à chaîne hydrophobes avec d’autres AAs hydrophobes. aliphatique - Joue un rôle dans la structure tertiaire (conformation ramifiée tridimensionnelle) et quaternaire (association de plusieurs monomères en dimères, polymères...) des protéines. - AA essentiel (5% des AAs). ♦ Analogie émulsion huile dans l’eau : formation de gouttelettes lipidiques dans un milieu aqueux. En absence d’agitation, on se retrouve avec une coalescence des gouttelettes entre elles, elles vont se rapprocher et former des gouttelettes plus grosses. Au bout d’un certain temps, répartition du mélange en deux phases en Liaisons fonction de la densité. Les liaisons hydrogènes et hydrophobes vont tendre à réduire hydrophobes au minimum la surface entre l’eau et les zones hydrophobes. On obtient donc un état qui est thermodynamiquement le plus stable. Université 6 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny A. Polarité des acides aminés 4. AAs non polaires (suite) La formation des liaisons hydrophobes est basée sur la capacité des molécules à être polarisables et à développer des dipôles instantanés. Elle correspond à un type d’interaction entre des espèces apolaires. Elle met en jeu des dipôles dont la durée de vie est courte. On a la formation de petites polarisations transitoires dans toutes les directions. La somme de ces polarisations donne une distribution moyenne quasiment nulle (liaison apolaire). Dans un ensemble de molécules les unes à côté des autres, ces forces de dispersion vont permettre la formation de l’interaction de London. Dans Interaction cette interaction, la formation d’un dipôle instantané dans une molécule dipôle va influencer les autres. On obtient donc un ensemble de molécules dont instantané – les dipôles sont orientés de la même manière et permettent donc des dipôle interactions entre ces molécules. instantané L’interaction de London est à la base des interactions hydrophobes. Les interactions entre deux espèces apolaires sont d’autant plus fortes que ces espèces sont polarisables. ♦ Les interactions hydrophobes jouent un rôle structural. Elles participent aux replis protéiques, à la stabilisation des édifices moléculaires par regroupement Rôle structural de territoires apolaires. des liaisons hydrophobes Ex: Rnase (enzyme qui dégrade l’ARN) → interactions hydrophobes localisées à l’intérieur de l’édifice moléculaire qui jouent un rôle de stabilisation. À l’extérieur de l’édifice on aura plutôt des AAs hydrophiles. ♦ Nous avons ici la solubilité des alcools dans l’eau. ♦ Le méthanol, l’éthanol et le propan-1-ol sont totalement solubles dans l’eau. Relations ♦ À partir du butan-1-ol, l’hydrosolubilité polarité / de l’alcool diminue jusqu’à devenir hydrophilie insoluble. est complexe ♦ L’augmentation de la longueur de la chaîne carbonée devient prépondérante par rapport au groupement hydroxyle. Plus la chaîne carbonée est longue, plus les liaisons hydrogènes sont minimisées. On parle d’effet hydrophobe. Phénylalanine ♦ L’ajout d’un groupement hydroxyle au groupement benzénique de la VS phénylalanine confère à la tyrosine son caractère amphipathique. Tyrosine Université 7 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny B. Propriétés ioniques ♦ Les acides aminés contiennent au moins 2 groupements ionisables : → Un groupement carboxyl → Un groupement aminé ♦ L’ionisation de ces groupes varie avec le pH du milieu en solution. ♦ Les AAs sont des molécules amphotères, c’est-à-dire qu’elles possèdent les propriétés des acides et des bases. ♦ Selon le pH les AAs peuvent exister sous 3 formes différentes : - A pH acide ( pKa du groupement α-carboxylique, le COOH libère son proton → COO-. - A pH < pKa du groupement α-aminé, le NH2 a capté un proton → NH3+. - Ce qui signifie qu’à valeur de pH comprise entre les deux pKa des groupements carboxylique et amine, l’acide aminé est sous forme d’ion dipolaire = Zwitterion. - L’acide aminé sous sa forme d’ion dipolaire a une charge globale nulle. - A pH basique (>10) (faible concentration d’H+), le NH3+ libère son proton et devient NH2, sa forme de base déprotonée. ➔ L’acide aminé est majoritairement anionique et se présente en plus grand nombre avec une charge globale négative à pH basique. - Rappel : Cet équilibre est caractérisé par une constante appelée pK. Lorsque le pH = pK, la forme ionisée est à moitié dissociée, c’est-à-dire 50% sous forme acide AH et 50% sous forme basique A-. Une espèce est d’autant plus acide que son pK est faible et inversement. Donc plus son pK est faible plus elle sera acide et plus son pK est élevé plus elle sera basique. Université 8 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny B. Propriétés ioniques 1. pH isoélectrique (pHi) ♦ Le pHi désigne le pH auquel un AA existe majoritairement sous forme d’ion dipolaire. Il correspond à la moyenne des deux pK. ➔ A pH = pK du COOH : concentration de l’acide aminé sous sa forme cationique = concentration de l’AA sous forme d’ion anionique. ➔ A pH = pK du NH2 : concentration de l’AA sous sa forme anionique = concentration de l’AA sous forme d’ion cationique (même situation que pH = pKaCOOH). ♦ Dit autrement : ➔ Lorsque le pH < pHi : l’AA se montre majoritairement sous forme cationique Généralités (chargé positivement). ➔ Lorsque le pH > pHi : l’AA majoritairement anionique (chargé négativement). ♦ Si la chaîne latérale comporte un groupe ionisable : o Introduction d’un pK supplémentaire et donc modification de la valeur du pHi. o Cela concerne les groupements suivants : ➔ Le noyau imidazole (Histidine) ➔ Le groupe guanidyl (Arginine), fonction amine (Lysine) ➔ Le groupe carboxylique (Ac. Aspartique, Ac. Glutamique) Conséquences d’un groupe ionisable sur une chaîne latérale ♦ Plus le pK d’une espèce chimique est bas, plus sa capacité de dissociation, de libération de protons est importante et donc plus l’espèce est acide. Si on prend donc l’exemple de l’Ac. Aspartique, on peut remarquer que le COOH du carbone alpha est plus acide que celui de la chaîne latérale. Université 9 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny B. Propriétés ioniques 2. Exemple de calcul du pHi de l’aspartate ♦ A : À pH = 1, il y a un recul d’ionisation, c’est-à-dire que les fonctions carboxyliques sont très peu dissociées tandis que la fonction amine est protonée. Nous sommes dans un cas où la molécule porte 1 charge +. ♦ B : À pH = 3, l’acide le plus fort, qui a donc le pK le plus bas, ici le COOH en alpha, se dissocie (pK=2,1). Le groupement carboxylique du radical dont le pK est plus élevé est sous forme non dissociée. Le groupement amine est toujours protoné. À ce stade, l’acide aspartique possède une charge nette nulle (une charge + et une charge -) : c’est l’ion dipolaire ou zwitterion. ♦ C : À pH=7, l’acidité du second acide se manifeste. Les deux groupements acides (COOH) sont dissociés (COO-).Le groupement amine est toujours protoné. On obtient donc une charge nette = -1 (2 charge – et 1 charge +). L’acide aspartique est majoritairement anionique. ♦ D : À pH=10, on a dépassé la valeur du potentiel d’équilibre du NH2 qui est donc déprotoné. On obtient une charge nette = -2 (2 charge – et 0 charge +). ♦ Pour pouvoir calculer le pHi, il nous faut repérer l’ion dipolaire et faire la moyenne des 2 pK qui « entourent » l’ion dipolaire. Ici, L’ion dipolaire correspond à la forme B et les pK qui l'entourent sont 2,1 (pK de α-COOH) et 4 (pK de R-COOH). À partir de là, on obtient : pHi de l’acide aspartique = (2,1+4)/2 = 3,05 Université 10 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny II. PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DES ACIDES AMINÉS RÉACTIVITÉ DES GROUPEMENTS THIOLS ♦ Un groupement thiol est un groupement qui comprend un atome de soufre et d’hydrogène (-SH). ♦ La cystéine comprend un groupement thiol (=sulfhydryle), plus précisément un méthyl-thiol R=CH2-SH. ♦ L’électronégativité du soufre est plus importante que celle de l’hydrogène. On a donc une liaison polarisée rendant possible les liaisons hydrogènes. ♦ La cystéine est par conséquent un AA polaire (non chargé) et hydrophile. ♦ Les cystéines participent à de nombreuses réactions d’oxydo-réduction car le groupement thiol s’oxyde facilement. ♦ Deux cystéines côte à côte peuvent, en présence d’un oxydant Cystéine (Cys) comme l’oxygène, se lier entre elles par une interaction entre les atomes de soufre des fonctions thiols. Cela amène à la création d’une liaison covalente, une interaction forte, qu’on appelle un pont disulfure. ♦ Ces ponts disulfures sont des liaisons extrêmement stables permettant de rapprocher, d’un point de vue conformationnel, des acides aminés éloignés dans la séquence peptidique d’un polypeptide. Cela joue un rôle majeur dans la structuration spatiale des protéines (acquisition de la structure tertiaire). Université 11 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny RÉACTIVITÉ DES GROUPEMENTS THIOLS (suite) ♦ L’insuline possède une structure polypeptidique dont l’édifice tridimensionnel est formé de 3 ponts disulfures. ♦ 1 pont disulfure intra-caténaire qui permet le repliement de la chaîne A sur elle-même et 2 ponts inter-caténaires. Exemple de l’insuline ♦ Certaines enzymes nécessitent des groupes thiols libres pour être fonctionnelles. On peut d’ailleurs observer une présence importante au niveau des sites actifs. Le problème, c’est que si on isole un groupement thiol, celui peut s’oxyder, ce qui peut faire perdre la fonction biologique de l’enzyme. Réactivité des ♦ Au laboratoire, l’utilisation de réactifs permettent de protéger ces thiols ou groupements de réduire les ponts disulfures. thiols ♦ Pour empêcher les thiols de s’oxyder on va utiliser des réactifs réducteurs comme le dithiothréitol (dithiol cyclisable) = DTT. Anciennement, le β-Mercaptoéthanol était également utilisé mais toxique. ♦ Le DTT est une espèce doublement réductrice : présence de deux groupements thiols. Réduction des ♦ Utilisé en excès, il va permettre de réduire les ponts disulfures des protéines ponts présentes en solution pour les isoler, les extraire et les étudier après un disulfure par procédé de purification. le DTT Ex : Pour l’insuline, cela peut nous permettre d’étudier les différentes chaînes séparément. ♦ Le DTT oxydé se cyclise pour se stabiliser. Université 12 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny III. STRUCTURES ET PROPRIÉTÉS DES PROTÉINES A. Peptides ♦ Les peptides sont des polymères constitués d’un enchaînement d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques = liaisons amides ; cette liaison se forme par condensation d’un acide carboxylique en alpha d’un AA et de la fonction amine en alpha d’un autre AA : réaction d’amidification avec libération d’une molécule d’H2O. Généralités ♦ On distingue : - Les oligopeptides (≤ 10 aa) - Les dipeptides - Les tripeptides - Les décapeptides (10 aa) - Les polypeptides (>10 aa) ; poids moléculaire d’un AA = environ 110 Da - Une protéine = polypeptide dont le poids moléculaire dépasse 10 000 Da (10 kDa). ♦ NB : Même les petits oligopeptides peuvent avoir une action biologique → ex : les enképhalines (5 AAs) Université 13 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny A. Peptides Liaison peptidique ♦ La liaison peptidique est stabilisée par résonance. C’est-à-dire que les électrons disponibles vont se délocaliser le long de la liaison peptidique. ♦ En l’occurrence, les électrons des orbitales π se déplacent entre les cortèges électroniques des atomes N,C et O (hybridés sp2). ♦ Elle possède deux formes mésomères. ♦ Le basculement permanent d’une forme à l’autre se traduit par une structure dite « limite ». Mésomérie de - Cette délocalisation électronique a la liaison pour conséquence d’immobiliser dans peptidique le même plan le carbone, l’azote, l’oxygène et l’hydrogène. - La rotation autour de la liaison C-N nécessite un fort apport d’énergie, elle est donc difficile et très peu probable. - La liaison peptidique est extrêmement rigide. ♦ Sur le plan biologique, cette rigidité de la liaison C-N offre un nombre limité de conformations spatiales possibles de la chaîne peptidique. ♦ L’immobilisation des atomes de la liaison peptidique dans le même plan assure une distance inter-atomique identique : la dimension de la liaison peptidique est constante et est indépendante de la composition en AA. ♦ Ce qui signifie que quelque soit la nature de la chaîne latérale des deux AAs mis en relation dans la liaison peptidique, la distance entre deux Cα est Dimension de la toujours de 3,6 Å (à connaître +++) liaison ♦ Ainsi la longueur d’une chaîne peptidique étirée comportant peptidique n acides aminés = n X 3,6 en Å. ♦ La configuration des chaines latérales en trans, c’est-à-dire de part et d’autre par rapport à la liaison peptidique, est favorisée. Cela diminue les phénomènes d’encombrement stérique liée aux chaînes latérales. ♦ Une chaîne polypeptidique comporte deux extrémités libres : - Un groupe amine libre (NH3+) à l’extrémité amino-terminale ou N-ter - Un groupe carboxyle libre (COO-) à l’extrémité carboxy-terminale ou C-ter ♦ Les séquences peptidiques sont toujours considérées dans le sens de Structure d’une synthèse protéique : N → C. Le premier sera considéré comme étant chaîne l’extrémité N-ter et le dernier comme étant l’extrémité C-ter. polypeptidique ♦ NB : connaître la nomenclature à trois lettres uniquement. Université 14 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny III. STRUCTURES ET PROPRIÉTÉS DES PROTÉINES B. Conformation tridimensionnelle des protéines Les différentes structures protéiques : ♦ La structure primaire des chaînes polypeptidiques renvoie au nombre d’acides aminés et leur ordre d'enchaînement dans la chaîne. Cette structure va rapidement s’organiser dans l’espace sous d’autres formes. ♦ Les structures secondaires et tertiaires traduisent l’agencement spatial des protéines, et leur état de repliement. On pourra retrouver, par exemple dans les structures secondaires, une conformation en hélices. ♦ La structure tertiaire constitue la superstructure de la protéine, encore plus replier dans l’espace, et est le plus souvent associée à une fonction biologique (conformation native). ♦ Dans certains cas, les protéines ne seront fonctionnelles seulement si elles sont associées en structure complexe constituées de multiples sous-unités protéiques = structure quaternaire. C’est le cas de nombreux enzymes métaboliques. 1. Structure secondaire ♦ Il y a 2 grands types de structures secondaires : - Les structures secondaires non ordonnées (aléatoires), qui sont flexibles, variables, non fixées (random coil) ; souvent aux extrémités de la protéine. Pas vraiment d’action biologique en général. Pas vraiment de structure. - Les structures secondaires ordonnées : nombre restreint (limité par la liaison peptidique qui est plane et rigide), 2 types : ➔ Les hélices α ➔ Les structures β (feuillets et virages) ♦ Elles sont stabilisées uniquement par des liaisons hydrogènes (+++) entre le groupe NH d’un AA et le groupe carbonyle d’un autre AA. Il n’y a PAS d’interaction électrostatique, hydrophobe pour stabiliser les structures secondaires. La liaison peptidique est plane : → Le plan rigide de la liaison peptidique interdit la rotation entre les atomes des fonctions -CO et -NH. → Les seules liaisons dont l’orientation reste libre sont celles qui entourent les carbones asymétriques. Il peut donc y avoir des rotations autour du Cα. Université 15 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny 1. Structure secondaire Les structures α Hélices α droite (αR) ♦ La plus fréquente. ♦ Chaîne enroulée en spirale. ♦ 3,6 résidus par tour d’hélice. Chaque résidu allonge l’hélice α de 1,5 Å. ♦ Pas de l’hélice (plus petite distance entre 2 points équivalents) = 5,4 Å. ♦ L’hélice se comporte comme un dipôle. Chaque liaison peptidique est orientée vers l’extrémité N-terminale et se comporte comme un dipôle. La somme des dipôles va créer un macro-dipôle, c’est-à-dire que l’hélice disposera d’un pôle + et -. ♦ La stabilisation de l’hélice αR se fait par la formation de liaison hydrogène intra-caténaire entre les AAs impliqués dans les liaisons peptidiques. On retrouvera donc des ponts hydrogènes entre groupements carbonyles et groupements amines des AAs en position n et n+4. Les liaisons hydrogènes étant des interactions faibles, c’est leur multiplication tout au long de la chaîne qui confère une grande stabilité à l’hélice. ♦ Les chaînes latérales se positionnent à l’extérieur par rapport à l’axe de l’hélice, permettant des interactions avec l’environnement. Donc des AAs qui se trouvaient proches dans la séquence primaire peuvent se retrouver éloignés dans l’espace, tout comme des AAs éloignés dans la séquence primaire peuvent se retrouver proches dans l’espace. Hélices α gauche (αL) ♦ 3,3 résidus par tour d’hélice. ♦ Pas de l’hélice = 9,6 A. Les hélices α gauches ont donc une structure plus lâche, étirée. ♦ L’hélice étant étirée, les liaisons sont trop loin les unes des autres pour établir des liaisons H intra-caténaires. ♦ Une hélice unique est instable. - Elle est stabilisée par l’association de 3 hélices α gauches : formation en triple hélice stabilisée par liaisons H inter-chaînes (inter-caténaires). Ex : le collagène (synthétisé par les fibroblastes) organisé en triple hélice α gauche dont la structure est stabilisée par des liaisons inter-caténaires entre leurs différents résidus d’hydroxylysine et d’hydroxyproline. ➔ Cette architecture spécifique est permise grâce à des modifications post-traductionnelles des résidus de lysine et de proline hydroxylés par la lysyl hydroxylase et la prolyl hydroxylase (dont le cofacteur est la vitamine C). ➔ Grâce à ces modifications, les hélices vont pouvoir s’associer entre elles par un grand nombre de liaisons H conférant une grande stabilité à la structure. Université 16 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny 1. Structure secondaire Les structures β Feuillets plissés β ♦ Association de chaînes peptidiques colinéaires par des liaisons H inter-chaînes. ♦ Les plans des liaisons peptidiques sont arrangés comme sur une feuille de papier pliée. ♦ Les deux chaînes sont dirigées dans des sens opposés. Feuillets plissés ♦ Les liaisons H sont presque linéaires. À longueur égale, on trouvera 6 liaisons H. antiparallèles ♦ Il s’agit du feuillet plissé bêta le plus stable. (βa) ♦ Ce genre de structure va se stabiliser si l’on retrouve les carbones asymétriques au niveau des zones de pliure. ♦ Les chaînes sont disposées dans le même sens. Feuillets plissés ♦ Les liaisons H sont moins bien alignées → 50% de liaisons H en parallèles moins. À longueur égale, on retrouvera 4 liaisons H. (βp) ♦ C’est le type de feuillet bêta le moins stable. Tonneau bêta ♦ Un feuillet bêta peut se replier sur lui-même et donner des structures en forme de tonneau. Le premier feuillet interagit avec le dernier pour refermer le tonneau. On a la formation d’un cylindre fermé. Ex : protéine de liaison au rétinol : repliement d’un feuillet bêta antiparallèle. L’intérieur est tapissé de chaînes latérales hydrophobes, servant de site de fixation pour des molécules non polaires comme le rétinol. Autres structures ordonnées ♦ L’élément le plus simple de la structure secondaire qui permet la formation des feuillets. ♦ Constituée de 3 ou 4 résidus, sa géométrie compacte permet un virage à 180°. Les coudes ♦ Cette structure est stabilisée par des liaisons H β ou entre les fonctions amine et carbonyle des virage β résidus n et n+3. ♦ Bien souvent, au niveau de ces virages, on retrouve des AAs dont les chaînes latérales sont de petite taille. Ex : La Glycine de petite taille fréquente au niveau des coudes bêta en position 2 et 3. ♦ Les boucles sont un autre type de structure permettant de faire des changements de direction d’une chaîne protéique. ♦ Ce ne sont pas des structures régulières mais assez rigides et bien définies. Les boucles ♦ Coudes et boucles se situent toujours à la surface des protéines pour réaliser des interactions avec d’autres molécules (ligands). ♦ Il existe donc un équilibre entre les différentes structures secondaires qui vont assurer en association un rôle biologique et structural. Université 17 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny B. CONFORMATION TRIDIMENSIONNELLE DES PROTÉINES 2. Structure tertiaire ♦ Structure spatiale que prend une protéine globulaire par repliement de la chaîne sur elle-même. ♦ Pour une protéine donnée, une seule structure tertiaire permet la fonction biologique. (+++) ♦ C’est la conformation native de la protéine, à sa naissance, lorsqu’elle vient d’être synthétisée dans la cellule. ♦ La stabilité de la structure tertiaire est due à des interactions entre les chaînes latérales des AAs. ♦ Il existe des liaisons variées entre des résidus distants les uns des Stabilité autres dans la séquence mais proches dans l’espace. conformationnelle ♦ La plupart sont des liaisons de faible énergie. ♦ Leur grand nombre permet la cohésion de la structure tertiaire stable. ♦ On peut les classer par ordre d’intensité décroissante : Forces d’interactions À connaître. ♦ ΔG° correspond à la variation d’énergie libre associable à l’énergie dégagée (valeur négative) par le système, c’est-à-dire occasionnée par la rupture de la liaison. Une interaction covalente est beaucoup plus stable et difficile à rompre qu’une interaction non covalente. ♦ C’est une hélice alpha avec une séquence en acides aminés « abcdefg abcdefg abcdefg abcdefg abcdefg ». ♦ On retrouve un motif de 7 AAs qui se répète de manière assez régulière. ♦ Si dans la séquence, les AAs en position 1 et 4 sont hydrophobes (soit a et d), il y aura une certaine proximité de ces AAs dans l’espace. Ceci va entraîner la formation d’une bande hydrophobe sur tout le long de l’hélice. Structure ♦ Si deux hélices sont formées de cette manière, alors les deux vont super-enroulée pouvoir interagir grâce aux bandes hydrophobes. Cela va créer un « coiled-coil » super-enroulement, beaucoup plus stable qu’une simple hélice. Université 18 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny B. CONFORMATION TRIDIMENSIONNELLE DES PROTÉINES 2. Structure tertiaire (suite) ♦ La structure tertiaire est adaptée à l’environnement dans lequel la protéine exerce sa fonction. ♦ Elle dépend à la fois de facteurs intrinsèques et environnementaux. Tout cela va aboutir à une structure tertiaire fonctionnelle. ♦ On définit 2 types de protéines : - Protéines solubles (plasma, cytosol...) ➔ Ce sont des protéines globulaires qui vont flotter dans le plasma, le cytosol... ➔ Les chaînes polaires (AAs hydrophiles) se rassemblent plutôt à la surface de la protéine. ➔ Les chaines apolaires (AAs hydrophobes) sont plutôt enfouies à l’intérieur. On a une structure hydrophobe compacte. Structure tertiaire - Protéines membranaires (environnement multiphasique) et ➔ Ce sont des protéines localisées dans les membranes, que ce soit environnement des organites intracellulaires ou de la cellule elle-même. ➔ Ce sont des structures déterminées par l’aptitude à interagir avec à la fois la phase aqueuse et la phase lipidique membranaire. On parle d’environnement multiphasique. ➔ ATTENTION : quelques AAs hydrophiles dans une séquence hydrophobe pourraient entrer dans la constitution d’un domaine transmembranaire n’étant qu’une minorité. ♦ Dans les protéines de grande taille, les chaînes peptidiques sont souvent constituées de petites unités fonctionnelles. Domaines ♦ Les domaines peuvent avoir des fonctions spécifiques. structuraux ♦ Ces fonctions proviennent vraisemblablement de gènes distincts ayant fusionnés au cours de l’évolution. ♦ Grâce à cela, nous arrivons à des ensembles biologiques fonctionnels et cohérents. ♦ Il s’agit de « super » structures secondaires - Motif en clé grecque : ➔ Motif répandu formé de 4 feuillets bêta alignés en feuillet bêta anti-parallèle. Motifs - Faisceaux d’hélices : structuraux ➔ La plus simple des associations d’hélices est le faisceau à quatre hélices (cytochrome C). ➔ Hélices connectées de façon anti parallèle par de courtes boucles. - Motif mixte : cylindre alpha-bêta ➔ Cylindre de feuillets bêta entouré d’un cylindre d’hélices alpha. Université 19 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 02 – Acides aminés 2/2 Santé Bobigny B. CONFORMATION TRIDIMENSIONNELLE DES PROTÉINES 3. Structure quaternaire ♦ Beaucoup de protéines sont oligomériques, c’est-à-dire constituées d’un assemblage de sous-unités. ♦ Elles peuvent être identiques, on parle d’homopolymères ou alors différentes, on parle d’hétéropolymères. ♦ Seule la forme oligomérique est fonctionnellement active. En effet, une sous-unité seule n’aura pas d’effet, il faut au moins que la protéine soit dimérique. ♦ Ce qui signifie qu’il y a une perte d’activité de la protéine dès lors qu’il y a dissociation de sa structure quaternaire (assemblée). Ex : L’insuline est une protéine homodimérique (= deux sous-unités identiques associées). Si celles-ci sont dissociées, on obtient de l’insuline inactive. Université 20 sur 20 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biochimie & Biologie moléculaire 03 – BIOÉNERGÉTIQUE/ INTRODUCTION AU MÉTABOLISME Points clés Connaître les définitions Les formules concernant les variations d’énergie libre Les valeurs usuelles en condition standards La structure de L’ATP et les valeurs clefs Acide Phosphorique et énergie des liaisons phosphorylées Connaître les valeurs d'énergie libres des nucléotides Maîtrise du métabolisme (glucose, lipides, protéines)  PLAN DU COURS I. Énergétique cellulaires et Bioénergétique A. Définitions B. Énergie Libre 1. Variation de l’énergie libre 2. Conditions standards 3. En Biologie II. Rôle des nucléotides riches en énergie et leur importance dans les réactions biochimiques A. Définition B. ATP et ses caractéristiques III. Acide Phosphorique A. Énergie des liaisons Phosphorylées IV. ATP A. Formes d’hydrolyse de l’ATP B. Autres rôles de l’ATP C. Couplage D. Synthèse des liaisons riches en énergie E. Synthèse de l’ATP V. Autres Nucléotides VI. Vue Globale du Métabolisme A. Voies centrales communes B. Métabolisme du Glucose C. Métabolisme des Lipides D. Métabolisme des protéines Université Sorbonne Paris Nord 2 sur 26  I. ENERGÉTIQUE CELLULAIRE ET BIOÉNERGÉTIQUE A. Définitions Durant ce cours, nous allons nous intéresser tout d'abord à l'énergétique cellulaire et en précisant les notions de bioénergétique qui seront utiles pour comprendre la réalisation des réactions nécessaires à la vie, donc les réactions biochimiques. Nous verrons également l'importance du rôle des nucléotides riches en énergie dans la réalisation de ces réactions biochimiques. Ces notions nous serviront à introduire les métabolismes des glucides, des lipides et des protéines. La Bioénergétique est l’ensemble des processus par lesquels nos cellules se procurent l'énergie dont elles ont besoin pour effectuer leur travail. Alors à la différence des plantes qui peuvent utiliser l'énergie Bioénergétique lumineuse grâce à la photosynthèse (= phototropes) et bien la seule énergie utilisable par les cellules animales est chimique. C'est l'énergie contenue dans les molécules elles-mêmes, ainsi les animaux sont appelés des organismes chimiotropes. La thermodynamique c'est l'étude des transferts d'énergie dans un Thermodynamique système en évolution lors de ses échanges avec l'environnement = échanges qui se font sous forme de chaleur et de travail. Un système en thermodynamique est formé par la réunion de matière constituant un ensemble cohérent. Trois types de systèmes en thermodynamique (Billes = matières, éclair rouge = énergie). Tout d'abord les systèmes ouverts. On a ici un système ouvert représenté par ce cadre dans lequel il y a de la matière, l'énergie est représentée par cet éclair rouge. Systèmes en Ce système ouvert va pouvoir échanger de Thermodynamique l’énergie et de la matière avec l'environnement. Deuxième type : le système fermé. Il ne peut échanger que de l'énergie avec son environnement. Et enfin le système isolé. Lui, ne réalise aucun échange avec le milieu environnant. D’un point de vue thermodynamique la cellule est un système fermé Université Sorbonne Paris Nord 3 sur 26  I. ÉNERGÉTIQUE CELLULAIRE ET BIOÉNERGÉTIQUE B. L’Énergie libre