La structure des protéines I

La structure des protéines I
Pr Eric Chabriere
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Les protéines peuvent avoir plusieurs fonctions
-Catalytique (enzyme)
-Reconnaissance moléculaire (anticorps)
-Transport (hémoglobine)
-Structurale (collagène)
En raison de leur implication dans le vivant, leur étude est importante en médecine
(médicament: un enantiomere peut être un medicament alors que l’autre peut être
toxique).
Par leurs activités: reconnaissance moléculaire, enzyme, nanotechnologie … Elles ont
de très nombreux intérêt en biotechnologie.
De plus par leurs structures, elles livrent des informations cruciales sur l'évolution du
monde vivant (relation bruité au niveau de la séquence) et sur les mécanismes du vivant
L'étude des protéines est à la fois utile
en recherche appliquée et en recherche fondamentale
La structure des protéines se décompose en 4 parties
•La structure primaire.
La structure primaire est la séquence en acide aminé.
Elle est codée par le génome.
•La structure secondaire
La chaine polypeptidique adopte des repliements préférentiels. Hélice ou
feuillet. 80% de precision
•La structure tertiaire
La chaine polypeptidique se replie en domaines plus ou moins globulaires.
Prediction facile si un modèle existe déjà (similarité de sequence).La
bioinformatique n’est pas suffisante, l’etude de la structure est essentielle
•La structure quaternaire
Plusieurs chaines polypeptidiques (différentes ou non) s'associent.
Oligomères, homo-oligomère. Formation de complexes.
Parfois, il faut aussi l'ajout d'autres groupes prosthétiques. (Cofacteurs,
métaux,…).
Pour garder l'intégrité de la fonction, il faut que le repliement soit correct donc que
la structure soit conservée.
La structure primaire
La chaîne peptidique:
Une protéine est un hétéro-polymère linéaire d’acides
aminés. Cette chaine est codée par le génome
Séquence du gène
Séquence de la protéine en acide aminé
(chaîne peptidique)
La plupart des séquences des protéines sont connues (génomique systématique)
Formule général d’un L-acide aminé:
R
H2N
C
R = Chaîne latérale, dépend de l'acide aminé
COOH
H
Groupe carboxylique : COOGroupe amine: NH3+
L'atome C est chiral (sauf la glycine)
Dans la nature on rencontre les acides aminés L.
(ceci explique la stéreoselectivité)
COOCOO-
H
NH3+
R
NH3+
C
H
R
Représentation de Fischer d'un L acide aminé (N à gauche)
Dans la chimie on utilise généralement la nomenclature R/S (Cahn-Ingold-Prelog) :
Ordre de priorité en fonction du
numéro atomique dans le système
périodique des éléments :
NH2 > CS>COOH > CH3 > H
Il n'y pas de relation entre les 2 nomenclature (Ex L (S) serine et L (R) cystéine)
La liaison peptidique
Formation de la liaison peptidique :
La réaction est une condensation
La condensation des acides aminés (groupe carboxylique et amine) forme un polymère.
Ce polymère commence par un groupe ammonium et se termine par un groupe
carboxylique
La géométrie de la liaison peptidique :
La liaison peptidique peut être décrite par deux formes
isomères de résonance. Elle a donc un caractère de
double liaison partielle et elle a une géométrie plane.
Plan peptidique
Chaque plan contient les atomes
C=0 du résidu n et les atome N,H, Ca du
résidu n+1
Les angles  et  dans la chaîne peptidique
Dans l'enchainement des plans peptidiques, il y a 2 degrés de liberté.
-L'angle de rotation autour de la liaison C-C déterminé par y
-l'angle de rotation autour de la liaison C-N déterminé par 
La structure du squelette de la protéine (C) est déterminé par ses 2 angles
pour chaque acide aminé
Configuration cis et trans
Deux configurations sont possibles : cis et trans (sauf glycine).
Trans est plus favorable sur le plan énergétique, car moins de contact stérique.
Mais 10 % des prolines dans les protéines sont en configuration cis. Des serines
et d’autres aa dans des sites de caractère dynamique se trouvent parfois dans la
configuration cis pour “précharger” l’enzyme avec de l’énergie pour la catalyse.
W=180°
W=0°
On peut discriminer la conformation cis et trans en regardant l'angle de rotation W autour
de la liaison C-N
Cette angle doit être proche de 180° ou de 0° (plan peptidique)
La chaîne peptidique n’est pas très réactive, c’est le groupe carboxylique ou
le Nterm qui interviennent dans la reaction. Au pH ou elle pourrait être
protonée ou déprotonée, elle est généralement hydrolysée.
La durée de vie d’une liaison peptidique est ~7 ans dans l’eau(pH neutre,
25°C ).
Néanmoins, la liaison peptidique a un moment dipolaire de 3.5 Debye.
Ce qui est important pour stabiliser la structure d'une protéine et de pouvoir
fixer/discriminer certains substrats
-
O
+
C
C

C
N
H 
Les 20 acides aminés
Dans certaines
protéines on trouve
aussi d’autres acides
aminés, dont certains
générés posttraductionellement.
Chaque acide aminé a ses propres propriétés
-stérique (forme)
-chimique (différent type d'atome)
-électrostatique
-pKa
-accepteur/donneur de liaison H
-polaire/hydrophobe
La combinaison de ce jeux à 20 lettres permet d'obtenir la diversité et la
subtilité des fonctions des protéines.
Acide aminés aliphatiques
Glycine (Gly, G) : aa passe partout
C'est le seul acide aminé non chiral
C’est l’acide aminé le moins encombrant.
Acide aminé avec la plus grande flexibilité conformationelle.
(aucune restriction dans y ou )
Très important dans les boucles. Par conséquent, il est très conservé lors de l'évolution.
Déprotonation peu probable.
Ni polaire, ni hydrophobe
Alanine (Ala, A)
Possède un groupe méthyle
Pas réactif.
Petit acide aminé hydrophobe
Situé dans le cœur hydrophobe des protéine
Ou au niveau d'interface hydrophobe
Valine (Val,V)
Possède un groupe isopropyle (chaine aliphatique)
Pas réactif.
acide aminé hydrophobe
Situé dans le cœur hydrophobe des protéine
Ou au niveau d'interface hydrophobe
Leucine (Leu, L)
Possède un groupe isobutyle (chaine aliphatique)
Même masse moléculaire que isoleucine
Pas réactif.
acide aminé hydrophobe
Situé dans le cœur hydrophobe des protéine
Ou au niveau d'interface hydrophobe
Isoleucine (Ile, I)
Possède un groupe butyle (chaine aliphatique)
Même masse moléculaire que leucine
Pas réactif.
acide aminé hydrophobe
Situé dans le cœur hydrophobe des protéine
Ou au niveau d'interface hydrophobe
Acides aminés aromatiques
Phénylalanine (Phe, F)
Possède un groupe phényle (aromatique)
Pas réactif.
acide aminé hydrophobe volumineux
Situé dans le cœur hydrophobe des protéine
Ou au niveau d'interface hydrophobe.
Capable de faire des stacking grâce aux liaison p
Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (260 nm), faible
Tyrosine (Tyr, Y)
Possède un groupe phénol (aromatique)
Peut faire des liaisons hydrogène grâce à son groupe alcool, accepte aussi des H.
moins hydrophobe que la phénylalanine (intérieur ou extérieur des protéine)
Peut se déprotoner (pKa=11.1, mauvais acide)
Tyr peut être phosphorylée/acyclée (régulation)
Capable de faire des stacking grâce aux liaisons p
Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (280 nm), faible
Tryptophane (Trp, W): ne se deprotonne pas
Possède un groupe indole (aromatique)
A cause de la délocalisation du doublet, l'azote ne peut plus accepter de proton (base)
Peut faire des liaisons hydrogène grâce à l'azote du groupe indole
Néanmoins, c'est un résidu hydrophobe
Se trouve principalement à l'intérieur des protéines
Capable de faire des stacking grâce aux liaisons p
Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (280 nm), majoritaire
Résidu fluorescent
Cette fluorescence dépend du milieu: très utile pour suivre le repliement ou les
changements de conformations des protéines, ou mesurer le Kd d’un substrat
acides aminés carboxyliques et leurs amides
Aspartique (Asp,D)
Possède un groupe acide carboxylique.
Résidu acide pKa =3.9 (C'est le plus acide des acides aminés)
Peut faire des liaisons ioniques et hydrogène (accepteur et donneur)
Soluble
Souvent impliqués dans la fixation des métaux durs (Ca2+, Mg2+, Mn2+).
résidu catalytique dans des hydrolases, protéases …
Residu chargé negativement activé pour les attaques nucléophiles. C’est un
residu tres court donc pas de conformation, tres peu de desordre donc
l’orientation est plus facile, la fixation du substrat entraine une diminution de
l’entropie ce qui facilite la reaction!
Asparagine (Asn, N)
Possède un groupe amide.
Résidu non protonable car le doublet de l'azote est délocalisé
Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur)
Soluble
Peut fixer des ions et metal sans apport de charge positive supplémentaire.
Site de N-glycosylation
peut se désamider à pH basique ou température élevée, ce qui fragilise l’aa, les
organismes qui vivent en milieu extremes ont beaucoup moins d’Asparagine.
Glutamique (Glu, E)
Possède un groupe carboxylique.
Résidu acide pKa =4.3
Peut faire des liaisons ioniques et hydrogène (accepteur et donneur)
Soluble
Souvent impliqués dans la fixation des métaux durs (Ca2+, Mg2+, Mn2+).
résidu catalytique dans des hydrolases, protéases …
Comme l’acide aspartique sauf qu’il est moins present car plus gros.
Glutamine (Gln, Q)
Possède un groupe amide.
Résidu non protonable car le doublet de l'azote est délocalisé
Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur)
Soluble
Peut fixer des ions
peut se désamider à pH basique et/ou température élevée
Les acides aminés basiques
Lysine (Lys, K)
Longue chaine aliphatique terminée par une amine
pKa=10.5. (chargé positivement à pH physiologique)
Liaisons ioniques avec Cl- et hydrogène (donneur)
Résidu soluble(grde charge) bien que la chaine aliphatique soit hydrophobe
(attention à la conformation, elle donne des info supplementaire sur la fonction!!)
Nombreuses modifications postraductionnelle possibes
(hydroxylation, glycosylation, acétylation, metylation,…)
Rôle de base dans les catalyses
Arginine (Arg, R)
Longue chaine aliphatique terminé par un groupe guanidinium
C'est le plus long des acides aminés
pKa=12.5. la charge est stabilisé par la résonance des 3 azotes
Cette résonance entraine la planarité du groupe guanidinium
chargé positivement à pH physiologique
Liaisons ioniques et hydrogène (donneur)
Résidu soluble bien que la chaine aliphatique soit hydrophobe
(attention à la conformation)
Peut fixer des anions (Cl-), peut faire des interaction p(stacking)
Rôle de base dans les catalyse (moins efficace que la lysine)
Histidine (His, H)
HN

N
N
NH

Position préférentielle (D pKa)
Groupe imidazole. Soluble
pKa= 6.5 (existe facilement sous la forme ionisée on non à pH physiologique).
c’est Quasiment un acide à pH neutre, la symetrie entre les 2N est cassée par la chaine
Laterale. N a différents mesomeres qui font intervenir des charges dans le cycle
Imidazole.c’est le NH le plus proche de la chaine laterale qui est protoné.
Peut donner et accepter des liaisons hydrogènes
Résidu très important dans les mécanismes catalytiques
Rencontré dans les triades catalytiques (accepte le proton d'une serine)
Coordonne efficacement les métaux, (ex colonne à Ni)
acides aminés à fonction alcool
Serine (Ser, S)
Possède un groupe hydroxyle
Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur sur O et donneur sur H)
Soluble
sites de glycosylation chez les eucaryotes (O-glycosylation)
Peut être phosphorilée
Non ionisable sans assistance (pKa=13)
résidus catalytiques (triade catalytique)
Impliqué dans de nombreuses protéases (chymotrypsine, trypsine) et
estérase (acétylcholinestérase)
Threonine (Thr, T)
Possède un groupe hydroxyle et un groupe méthyle (ressemble à la valine)
Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur)
Soluble
sites de glycosylation chez les eucaryotes (O-glycosylation)
Peut être phosphorilé
Non ionisable sans assistance (pKa=13)
AA dual: un coté hydrophobe et un polaire semblable aux detergents!
acides aminés soufrés
Cystéine (Cys, C)
Possède un groupe thiol
Peut faire des liaisons hydrogène (donneur et accepteur )
Soluble
Facilement ionisable (pKa=8.3) proche du pH physio comme His
Résidu très important dans les mécanismes catalytiques
Fixe facilement les métaux Fe, Zn, Cu… (Hg)
Résidus fragile qui s'oxyde facilement en milieu aérobie (acide sulfenique R-S-OH,
sulfinique OH+ O2 et sulfonique OH+ 2O2).
le sélénium peut remplacer le soufre. C'est autre acide aminé, la sélénocystéine.
L'oxydation de 2 cystéines proches dans l’espace forme un pont disulfure (liaison
covalente).
Le pont disulfure est hydrophobe
Ne se forme pas dans un milieu réducteur (cytosol)
Peut être catalysé par la protéine disulfide isomérase
Peut servir à se protéger contre un stress oxydatif, de capteur de d'oxydation.
La possibilité de faire une liaison covalente inter ou intra moléculaire augmente la
stabilité de la molécule(protéine sécrétées, toxine)
Méthionine (Met, M)
Possède un groupe thioester
Long acide aminé hydrophobe
Résidu fragile sensible à l'oxydation par l'air, jamais rencontré dans les catalyses car
Encombrant.
formation de sulfoxyde et ensuite de sulfone:
O
S
S
S
O
O
Acide Aminé cyclique
Proline (Pro,P): α-iminé
Possède un groupe Imine cyclique (et non une amine secondaire)
L'azote garde son doublet. La liaison peptidique reste plane
Pas de liaisons H
Hydrophobe
Résidu rigide qui impose une certaine géométrie à la chaine principale(angles contraints
Ne peut stabiliser les structures secondaires (liaison N-H absente).
Ce résidu sert à briser les hélices et à déformer les feuillets, elles ont le plus souvent
Aux extremités.
90% des prolines sont en position trans
occurrence des acides aminés (%)
12
10
8
6
4
2
0
Ala
Arg
Asn
Asp
Cys
Gln
Glu
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Tyr
Val
Les plus abondants: Leu, Ala, Gly (cœur hydrophobe et flexibilité) + Glu, Ser
Les plus rares Cys, Met (souffre), His, Trp (synthèse couteuse)
Résumé
Résidu acide ou basique
chargé positivement
N-term, Lys, Arg
Chargé négativement
C-term, Asp, Glu
L'histidine et la cystéine sont les acides aminés dont les pKa
sont les plus proches du pH physiologique.
Attention la serine n'est pas déprotonable sans assistance
hydrophobicité
5
4
3
2
1
0
Ala
Arg
Asn
Asp
Cys
Gln
Glu
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Tyr
Val
-1
-2
-3
-4
-5
Les plus hydrophobes: Ile, Leu, Val, Ala, Cys (si SH uniquement), Met, Phe
Les plus polaires : Arg, Lys (peut faire des liaisons hydrophobes etudes de la
conformation indispensable), Asp, Asn, Glu, Gln, His
Protscale expasy: cf. Tp
La notion d'hydrophobicité est plus compliquée car certains résidus sont à la fois
hydrophobes et polaires.
Ex Lys (chaine aliphatique+ amine), Thr (groupe méthyle + alcool), Tyr (groupe
phényle+ alcool).
Il faut avoir la structure 3D pour comprendre le rôle du résidu
De plus, la solubilité change en fonction de l'état d'ionisation.
Ex Cyst (S-H, S-)
La solubilité change aussi en fonction de l'état des cystéine .
(le pont disulfure est beaucoup moins soluble que la cystéine libre)
En general, les aa les plus enfouis sont les plus hydrophobes.
ratio: %enfouie/ %surface
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His
Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val
Les plus enfouies: cyst (oxydation), Ile, Leu, Val, Trp, Phe, Met, Ala (cœur hydrophobe)
Les résidus en surface: Arg, Lys (Charge), Glu, Asp, Gln, Asn.
La tyrosine est plutôt en surface
Propension de réactivité pour chaque acide aminé
Les acides aminés les plus réactifs sont : His, Cys (Pka ~7 proche
Du pH physio), Asp (court et chargé)
Les moins réactifs: hydrophobes aliphatiques (I, L, V, A)
Les différents fonctions des acides aminés
Les fonction les plus répandus: donneur (directif ou irreversiblestabilité)
et accepteur de liaisons hydrogène.
Stabilation électrostatique (état intermédiaire, diminution des energies d’activation).
La nature préfère les attaques nucléophiles.
Deamidation
glycosylation