Cours 5 - Structure des protéines (2ème Annèe Pharmacie 2021/2022) PDF

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Université D´Oran Année Universitaire 2021/2022 Faculté De Medecine 2ème Annèe Pharmacie Département de pharmacie Dr bouhadjar.A Structure des protéines I. Introduction Les protéines sont des polymrès lineaires d´acides aminés reliés par une liaison amides dite liaison peptidique ; Ceci constitue la structure primaire. Chaque protéine a en réalité une structure supérieure ou une conformation spatiale établie et maintenue par d’autres types de liaisons que la liaison peptidique ; on dit que la protéine a une structure secondaire, tertiaire et même quaternaire dans certains cas. II. La liaison peptidique: Co NH a le caractère dˈune double liaison partielle:  Stable  Rigide 1   Plane  Deux liaisons peptidiques consécutives peuvent pivoter autour de cα ,dans la limite des contraintes sterique  L´angle de rotation autour Cα-N est designe par φ  L´angle de rotation autour Cα-C est designe par ψ  La valeur absolue des angles est 0-180°:  Signe – si la rotation dans le sensaiguilles dune montre  Signe + le sens inverse  Celles qui sont autorisées determinent les structures secondaires  Les angles Ψ et Φ définissent les positions relatives des deux liaisons peptidiques autour du carbone α commun  Pour des raisons stériques la plupart des valeurs des angles ne sont pas permises III. Niveaux de structure des protéines: 1. Structure primaire (linéaire): c’est la séquence en acides aminés unis par des liaisons peptidiques sous forme d’une chaîne, qui est constituée : * d’une partie régulièrement répétitive, c’est la chaine principale ou le squelette. * d’une partie variable latérale. * des unités d’acides aminés appelés résidus Figure 1 : structure primaire d’une protéine (chaine polypeptidique) 2 2. Structures supérieures (spatiales): La protéine ne conserve pas sa structure linéaire initiale ; mais elle subit très vite une évolution tridimensionnelle en structure secondaire, tertiaire et quaternaire ; sous l’influence des forces attractives ou répulsives qui se manifestent tout au long de la chaine polypeptidique. Liaison (pont) disulfure C'est une liaison covalente forte établie entre deux résidus cystéine appartenant à une seule chaîne ou à deux chaînes différentes. Liaison ionique (saline) C'est une liaison électrostatique (plus faible) établie par attraction entre deux charges de signe opposé : NH3+ et COO- (terminaux de la protéine) et les chaines latérales des AA acides (Arg, Lys, His) et basiques (Glu, Asp). Liaison hydrogène Ce type de liaison non covalente se forme lorsque sont à proximité l'un de l'autre, d'une part un atome d'hydrogène lié à un azote ou à un oxygène, et d'autre part un doublet électronique non partagé d'un autre azote ou d'un autre oxygène. Ces liaisons peuvent s'établir entre : C=o et les N-H des liaisons peptidiques Les residus dˈacides amines comme les OH les COOH et les NH2 Liaison (interaction) de Van der Waals Les forces d’attraction proviennent des dipôles induits par la distribution de la charge électronique = interactions de type dipôle-dipôle. Liaison (interaction) hydrophobe Les chaînes latérales hydrophobes de certains acides aminés (Ala ; Val ; Leu ; Ile; Phe) sont repoussées par l'eau et ont donc tendance à se rapprocher les unes des autres dans un pole apolaire à l’intérieure la structure d’une protéine. A. Structure secondaire: La structure secondaire de la liaison peptidique est déterminée grâce à la possibilité de rotation des atomes de la liaison peptidique, permise par deux angles de torsion: - Φ (phi) entre l'atome Ni et l'atome Cαi - Ψ (psi) entre l'atome Cαi et l'atome C'i - ω (omega) pour la liaison entre l'atome C'i et l'atome Ni+1. 3 Comme l'angle w est fixe, la structure secondaire de la liaison peptidique peut, en principe, être décrite par les deux autres angles Φ et Ψ. les angles de rotation possibles autour du carbone α: L'encombrement stérique des acides aminés et les angles des liaisons font que l'enchaînement n'est pas linéaire, mais présente un certain nombre de replis. La liaison peptidique possède un caractère de double liaison, ce qui implique que les atomes soient tous dans le même plan, avec une possibilité d'isomérie cis - trans pour les résidus de part et d'autre de la liaison. Ces propriétés entraînent trois possibilités de conformation spatiale : a- les plans successifs alternent de part et d'autre selon deux orientations privilégiées, et on parlera de structure en feuillet plissé (Figure 6 a); b- les plans successifs tournent régulièrement dans le même sens, et on parlera de structure hélicoïdale (Figure 6 b); c- il n'y a pas de direction privilégiée, et on parlera de pelote statistique. A) B) 4 Structures secondaires régulières avec repliement périodique: Hélice α: le squelette étroitement enroulée forme la partie interne du bâtonnet et les chaines latérales se disposent à l’extérieur en arrangement hélicoïdale. spire régulier, d’un pas de 5.4 A°, comportant 3.6 résidus d’AA par tour (soit 18 résidus en 5 tours). stabilisé par des liaisons hydrogènes intra-chaîne entre le C=O et N-H de résidus d’AA séparés l’un de l’autre par trois autres résidus. L’hélice est dite droite si elle tourne dans le sens des aiguilles d’une montre; elle est dite gauche si elle tourne dans le sens contraire. Hélice α droite (Structure régulière avec repliement périodique) Feuillets plissés β les chaînes polypeptidiques primaires ne s'enroulent pas mais se lient côte à côte pour former un plan brisé, avec des chaînes latérales perpendiculaires à ce plan. liaisons hydrogènes entre les chaines polypeptidiques voisines = interbrin, (et non pas intrabrin comme dans la structure hélicoïdale). 5 Feuillet plissé β (Structure régulière avec repliement périodique) On distingue deux types : * le feuillet plissé β parallèle: où les chaines unies par les liaisons hydrogènes sont dirigées dans le même sens (N C) ; ex : le lysozyme. *le feuillet plissé β antiparallèle: où les chaines unies par les liaisons hydrogènes sont dirigées en sens inverse l’une de l’autre ; ex : les fibres de la soie. Ces derniers sont plus stables, les liaisons H subissant de plus faibles distorsions. Structures secondaires non régulière avec repliement non périodique: Tour β ou Coude en Epingle à cheveux: structures irrégulières de 4 acides aminés successifs, formant un pli à 180° (épingle à cheveux). stabilisé par une liaison hydrogène entre le C=O du résidu n°1 et le N-H du résidu n°4. permettent le changement de direction des chaines polypeptidiques dans des feuillets β antiparallèles. 6 structure en Tourβ(les flèches indiquent la direction de la chaine peptidique Boucle ῼ sont des entités globulaires compactes car leurs chaines latérales ont tendance à remplir leurs cavités internes Pelote statistique Certaines régions protéiques ne sont pas structurées dans des conformations périodiques comme l'α-hélice ou le feuillet plissé β : leur forme irrégulière est qualifiée de pelote statistique B. Structure tertiaire: déterminée par l’assemblage des formes élémentaires secondaires de type α ou β et par repliement de la chaîne polypeptidique dans l'espace tridimensionnel. Les structures protéiniques tertiaires ont été rassemblées en quatre types de motifs (Levitt et Chothia 1976) : le tout-α, le tous-β, l’α/β et l’α + β. la structure tertiaire est stabilisée par des interactions de type non covalent et des ponts disulfures entre les chaines latérales des résidus (éloignés dans la structure primaire mais placés à proximité les uns des autres dans la structure tertiaire) :  AA polaires (hydrophiles) se situent à la surface de la molécule.  AA non polaires (hydrophobes) sont rejetés dans la profondeur de la molécule. Cet état final de la molécule appelée la protéine native 7   La structure tertiaire = structure fonctionnelle de la protéine, ex: les protéines globulaires douées d’activité catalytique (les enzymes). la structure tertiaire s’organise souvent en domaines structuraux à fonctions distincts. Domaine (= structure + fonction) : partie de la structure tertiaire indépendante des autres structures et qui est fonctionnelle. C. Structure quaternaire : les monomères (sous-unités) peuvent être : - identiques = Homo-polymère, ex : Glycogène synthase (2 s/u identiques) - différents = Hétéro-polymère, ex : l’Hb (2 s/u α et 2 non α) les monomères (protomères) ne se réunissent pas au hasard : l’ensemble possède une symétrie, et les surfaces qui s’assemblent sont complémentaires. stabilisée par des liaisons non covalentes 8   la structure quaternaire = structure soumise à la régulation allostérique, avec un état d’équilibre entre l’association et la dissociation partielle des protomères.  Ex : acide gras carboxylase : Polymère (active) monomère (inactive) avantages de la structure quaternaire : * économie génétique : il faut moins d’ADN pour coder un protomère qui s’assemble en un multimètre que pour une grosse protéine de même masse moléculaire. * effet allostérique: la fixation d’effecteur (activateur ou inhibiteur) sur une sous-unité, modifie l’affinité du polymère pour le substrat. Ex: la protéine kinase A dépendante de l’AMPc, en fixant ce dernier va activer les sous-unités catalytiques. * effet coopératif : la fixation d’un substrat sur une sous-unité augmente l’affinité des autres sous-unités pour ce même substrat (cas des enzymes ou chaque s/u a un site actif). * rapprochement des sites nécessaires à l’activité catalytique (existence d’un site actif à l’interface de deux sous unités). * efficacité : Le polymère peut catalyser des réactions différentes, mais coordonnées, sur des s/u différentes ; ex : la tryptophane synthétase (α2 β2) s/u α : indol-glycérol- P indole + glycèraldéhyde-3-P s/u β : indole + L sérine L-Tryptophane (Le produit de la 1ère réaction est le substrat de la 2ème, il ne peut pas être détecté come intermédiaire libre). IV. Conclusion : L’évolution structurale des protéines se fait en quatre niveaux: * Structure primaire * Structure secondaire * Structure tertiaire * Structure quaternaire A partir de la structure tertiaire il y a apparition de la fonction protéique. A partir de la structure quaternaire il y a apparition de l’activité régulatrice allostérique (cas des enzymes). 9