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Réponses aux questions de Biophysique I et
II.
Question n° 1.1 :
Poly-L-leucine in an organic solvent such as dioxane is α-helical whereas poly-Lisoleucine is not. Why do
these amino acids with the same number and links of atoms have different helix-forming tendecies?
The methyl group attached to the β-carbon atom of isoleucine sterically interferes with α-helix formation.
In leucine, this methyl group is attached to the χ-carbon atom, which is farther from the main chain and
hence does not interfere.
Question n° 1.2 :
Why do the amino acids proline and glycine have in proteins helix-breaking properties and often occur in
-turn structures?
La praline et la glycine appartiennent avec la cystéine au groupe des acides aminés spéciaux.
La proline possède une chaîne latérale aliphatique, mais diffère des autres 20 acides aminés par le fait que
sa chaîne latérale est liée à la fois à l'atome d'azote et à l'atome de carbone alpha. Sa structure cyclique la
rend donc plus limitée du point de vue conformationnel que les autres aminoacides. Les liaisons X-Pro
n'ont par exemple plus de préférences marquées pour une liaison peptidique trans ou cis, alors que les
autres liaisons préfèrent la forme trans. Ceci est dû à l'encombrement stérique de la partie cyclique.
La glycine est quant à elle le seul acide aminé achiral.
Leur récurrence dans les coudes peut se comprendre par le fait que la proline manque d'un groupe NH et
que sa structure cyclique limite les valeurs de l'angle phi. Pour la glycine, elle peut s'insérer dans toutes les
structures. Sa présence ne favorise donc pas la formation d'une hélice, ce qui n'est pas le cas de beaucoup
d'autres acides aminés qui seront plus présents (puisque favorisant la structure) dans l'hélice.
Question n° 1.3 :
Describe major chemical and structural properties of a peptide bond and the consequences for regular
protein strcure formatoin.
La liaison peptide est planaire. Si deux acides aminés sont liés par une liaison peptide, 6 atomes sont dans
un même plan : le Cα, le CO (1er acide aminé), le NH et le Cα du 2ème acide aminé. La liaison peptide
possède en plus un caractère de liaison double fort, ce qui empêche la rotation autour de cette liaison. Cette
inaptitude à tourner va exercer des contraintes sur la conformation du peptide, expliquer son caractère
planaire, et donner une distance bien spécifique aux liaisons.
C
C
O
N
H
C
C
CNC
O
H

C
C
O
N
H
C
1,51 A
1,24 A
1,0 A
1,45 A
1,32 A
Finalement, la liaison peptidique n’est pas chargée, ce qui permet aux peptides de former des structures
globulaires compactes.
Presque toutes les liaisons peptides sont en configuration trans, car la configuration cis provoque des
encombrements stériques. La liaison entre le groupe amine et le Cα et la liaison entre le Cα et le groupe
carbonyle sont libres de tourner, ce qui va permettre à la protéine de se plier de nombreuses manières. Ces
rotations sont déterminées par les angles phi et psi.
La rigidité de la liaison peptidique alliée aux angles phi et psi permis limitent le nombre de structures
accessibles.
La chaîne polypeptidique peut se plier en plusieurs structures régulières : hélice α, feuillet β. Deux autres
structures secondaires existent : β turn et Ω loop.
Le diagramme de Ramachandrean indique deux sortes d’hélices α : les hélices α droites (sens des aiguilles
d’une montre) et les hélices α gauches (sens contraire aux aiguilles d’une montre). Néanmoins, les hélices α
droites sont énergétiquement plus favorables à cause du nombre moins important d’encombrement stérique
entre les chaînes latérales et le squelette de la protéine. Pratiquement toutes les hélices α des protéines sont
droites.
Les feuillets β sont plus diversifiés que les hélices α.
Les loops ne possèdent pas une structure régulière, périodique, elles sont souvent rigides et bien définies
Question n° 1.4 :
Identify the groups in a protein that can form hydrogen bonds with an arginine side chain at pH 7.
Le groupe carboxylate de l’aspartate et du glutamate forment des liaisons hydrogènes avec le groupe
guanidinium (NH2-C-NH2). En plus, ce groupe guanidinium peut jouer le rôle de donneur dans la liaison
hydrogène avec le groupe carboxylique de la glutamine et de l’asparagine, le groupe carboxylate de
l’aspartate et du glutamate, l’alcool de la sérine et de la thréonine ainsi qu’avec le groupe carbonyle de la
chaine principale.
Question n° 1.5 :
On ne peut pas determiner les concentrations mais les rapports entre les concentrations :
En utilisant l’équation de Hasselbach:
7 = 3 + log([AH]/[AH2+])
7 = 8 + log([A-]/[AH])
7 = ½(11 + log([A-]/[AH2+])
 ([AH]/[AH2+]) = 104 ([A-]/[AH]) = 0.1 ([A-]/[AH2+]) = 103
Voir la question similaire dans la série 1 d’exos.
Question n° 1.6 :
J’ai utilisé le spectre en ref 3 page 395.
tryptophane :  = 5700 M-1cm-1
tyrosine :  = 1500
La concentration du protein corespond à une sixième de la concentration du tyrosine et à un tiers de la
concentrarion du tryptophane.

Il faut appliquer la loi du Lambert Beer :
A=
A=0,15
L’absorbance mesuré est due à labsorbance du tyrosine plus l’absorbance du tryptophane :
A=b(trctr+tyrctyr)
ctyr=6C (C=concentration d protéine)
ctr=3C
A=bC(3tr+6tyr)
 C=5,747*10-6 mol/l
si le protein a une masse de 100kDa
on peut exprimer cette concentration comme : 5,747mg/ml
Question n° 1.7 :
Describe major energetic contributions for protein folding into regular structures.
Hydrogen bonding:
Hydrogen bonds are formed between hydrogen donors and hydrogen acceptors.
Electrostatic interaction:
Electrostatic interaction between ions of opposite charge (Coulomb’s law):
Van der Waals:
Van der Waals interactions are caused by transient dipoles.
Balance between attractive and repulsive forces:
Attraction: Short lived fluctuations in electron distribution in one atom generate
temporary dipoles which in turn induces temporary dipoles in neighboring atom (dipole –
induced dipole attraction).
Repulsion: At shorter distances repulsive forces act which arise mainly from repulsion of electrons
and to lesser extent from nuclear repulsion.
The balance between attraction and repulsion is treated as a single van der Waals potential (Lennard-Jones
potential):
612 // rBrAVvdw 
A and B are constants that describe the magnitude of interactions.

Hydrophobic Effect:
The hydrophobic effect causes nonpolar molecules to adhere to one another (for more details, see question
1.8)
Question n° 1.8 :
a) Explain the hydrophobic effect.
Les molécules en solution aqueuse interagissent avec les molécules d’eau au moyen d’interactions ioniques
et de liaisons H. Les molécules non polaires ne peuvent cependant pas participer à ces interactions. Les
interactions entre les molécules non polaires et les molécules d’eau ne sont pas aussi favorables que les
interactions entre les molécules d’eau elles-mêmes. Les molécules d’eau en contact avec ces surfaces non
polaires forment des cages autour de ces molécules non, le système devient ainsi plus ordonné que pour des
molécules d’eau libres en solution. Ceci a pour effet de faire diminuer l’entropie. Lorsque deux molécules
non polaires se rencontrent, quelques molécules d’eau sont relâchées et elles peuvent interagir librement
avec d’autres molécules d’eau. Les molécules non polaires ont tendance à s’agréger dans l’eau car
l’entropie de l’eau est augmentée lorsque les molécules d’eau sont relâchées. C’est ce phénomène que l’on
appelle effet hydrophobe.
B) Explain in this context the so-called hydropythy index, how this index is established, and how it can be
used for predicting protein folding into regular structures.
La plupart des protéines sont amphipathiques c’est-à-dire qu’elles contiennent aussi bien des acides aminés
hydrophiles que hydrophobes. Les aa hydrophobes ont tendance à éviter l’eau en résidant à l’intérieur de
protéines globulaires ou membranaires. Les résidus hydrophiles préfèrent rester hydratés. Cette partition
des aa entre un environnement aqueux et non aqueux conduit à l’effet hydrophobe qui actionne le pliage
des protéines.
Pour quantifier la contribution de chaque aa à l’effet hydrophobe (l’hydropathie d’un acide aminé), il est
possible de mesurer la partition de molécules entre l’eau et un solvant organique. Pour cette mesure, un aa
est placé dans un système contenant deux solvants avec les phases organiques et aqueuses séparées.
L’hydropathie de l’aa est représentée par le coefficient de partage P, qui est mesuré comme la fraction de
molécules dans la phase aqueuse χaq par rapport à la fraction dans la phase organique χnonaq à l’équilibre :
P = χaq / χnonaq
P pour chaque aa reflète l’hydropathie de chaque type d’acide aminé (cf table 1.6 de référence 3). On
constate que les aa ayant des chaînes latérales non polaires ont une hydropathie positive et les aa avec des
chaînes latérales polaires ou chargées ont une hydropathie négative.
Pas complet…
c) Explain the differences of protein folding between water-soluble and membrane proteins.
Dans un environnement aqueux, le pliage d’une protéine est actionné par la forte tendance qu’ont les
résidus hydrophobes à être exclus de l’eau. Un système est thermodynamiquement plus stable lorsque les
groupes hydrophobes sont enfermés au lieu d’être étendus dans l’environnement aqueux. La chaîne
polypeptidique se plie de façon à ce que les chaînes latérales hydrophobes soient cachées et les chaînes
polaires ou chargées soient à la surface.

Les protéines se trouvant dans les membranes ont une distribution différente des aa hydrophiles et
hydrophobes. Le centre de la protéine contient des aa chargés et polaires qui entoure un canal rempli d’eau
traversant la protéine. L’extérieur est quant à lui composé de résidus hydrophobes qui interagissent avec les
chaînes alcanes avoisinantes des phospholipides.
d) What are the major structural determinants for regular structures in the bilayer spanning segments of
membrane proteins ?
? Je n’ai pas compris la question…
Question n° 2.1 :
What is the largest possible value for the diffusion coefficient that a molecule of M = 50000 dalton can
have at 20 oC (viscosity = 0.01 poise, partial molar volume = 0.73 mL/g)
On peut considérer une particule sphérique et utiliser dans ce cas l’équation de Stokes-Einstein :
r6 Tk
D
Sachant que le volume d’une sphère vaut :
3
rπ
3
4
V
On a :
33V
4π
ηπ6Tk
D
Avec : k = 1.38·10-23 m2 kg s-2 K-1
T = 20°C = 293.15 K
η = 0.01 poise = 0.001 kg m-1 s-1
Calcul du volume:
M = 50000 Da · 1.66·10-27 kg Da-1 = 8.3·10-23 kg
ν = 0.73 mL g-1 =0.73·10-3 m3 kg-1
326233m106.059108.3100.73V  
 D = 8.8·10-11 m2 s-1
Question n° 2.2 :
Centrifugation experiment: The data in the table below describe the variation of the sedimentation
coefficient s, and the diffusion coefficient D for a protein as a function of pH. Explain what happens to the
protein at low and high pH, assuming that it is in its native state between pH 5-7.
pH s x 1013 [sec] D x 107 [cm2/sec] s/D x 106 [sec2/cm2]
2 2.93 7.91 0.37
3 3.02 8.00 0.38
4 3.89 8.00 0.49
5 4.41 5.90 0.75
6 4.40 5.92 0.74
7 4.15 5.61 0.74
8 3.60 4.86 0.74
9 2.25 3.08 0.73
10 2.20 2.97 0.74