PROPRIÉTÉS ET CLASSIFICATION DES PROTÉINES
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PROPRIÉTÉS ET CLASSIFICATION DES PROTÉINES La dénaturation des protéines 1 Le caractère amphotère des protéines 2 La solubilité des protéines 3 4 La classification des protéines 1 LA DÉNATURATION DES PROTÉINES La dénaturation d’une protéine correspond à la destruction des liaisons qui maintiennent en place les niveaux de structure quaternaires (s’il y a lieu), tertiaires et secondaires. La protéine se présente sous une configuration désordonnée, seule la structure primaire n’est pas perturbée. En conséquence, la protéine n’est plus sous sa forme native et a donc perdu son activité biologique. Suivant les facteurs de dénaturation, le processus peut être réversible ou irréversible. 1 LA DÉNATURATION DES PROTÉINES En règle générale, tous procédés ou composés capables de perturber les liaisons de faible énergie pourra avoir un effet dénaturant sur les protéines. Lors de la dénaturation les liaisons peptidiques ne sont pas modifiées. 1 QUELQUES FACTEURS OU COMPOSÉS DÉNATURANTS La température Augmente l’agitation moléculaire et perturbe toutes les liaisons de faibles énergies. Le pH Modifie les équilibres des fonctions acido-basiques et perturbe fortement les liaisons salines. Les fortes concentrations en sels Elles agissent suivant le principe du relargage par les sels. Les détergents Pénètrent dans le cœur des protéines et perturbe les interactions hydrophobes Les solvants organiques Augmentent les forces d’attraction et facilitent ainsi l’agrégation des protéines entre elles Urée Guanidine Facilitent la pénétration de l’eau dans les protéines, ce qui perturbe les interactions hydrophobes et les liaisons hydrogènes β Mercapto éthanol Entraîne la rupture des ponts disulfures 1 EXPÉRIENCE D’ANFINSEN 2HN Activité biologique COOH Conditions dénaturantes Urée, β mercaptoéthanol HS HS HS COOH 2HN SH Ponts disulfures HS Ribonucléase A SH SH SH Absence d’activité biologique Suppression des conditions dénaturantes COOH Activité biologique 1 EXPÉRIENCE D’ANFINSEN Cette expérience est un exemple de dénaturation réversible. Elle montre qu’en absence de conditions dénaturantes, la structure primaire d’une protéine contient les informations nécessaires pour la mise en place de la structure tertiaire unique de la protéine. On observe également que le retour à la structure tertiaire est accompagné de la restauration de l’activité biologique. 2 CARACTÈRE AMPHOTÈRE Les protéines possèdent au moins deux fonctions à caractère acido-basique (extrémités N et C terminales), elles ont donc un caractère amphotère. La charge globale d’une protéine sera fonction du bilan des charges présentes sur chaque site acido-basique. Cette charge globale pourra être positive, nulle ou négative. La protéine pourra, en fonction du pH du milieu dans lequel elle se trouve, se comporter comme un cation, comme une molécule neutre ou comme un anion Le pH ou 100 % de la protéine est sous forme globalement neutre (forme zwitterion) correspond au pHi de la protéine. Lorsque le pH est inférieur au pHi, la forme majoritaire de la protéine est la forme cation. Lorsque le pH est supérieur au pHi de la protéine la forme majoritaire de la protéine est la forme anion. 2 COMPORTEMENT D’UNE PROTÉINE EN FONCTION DU pH Nombre de formes cations formes cations majoritaires pHi Nombre de formes anions formes anions majoritaires 100 % formes zwitterions pH 2 ESTIMATION DU pHi D’UNE PROTÉINE Le pHi d’une protéine dépend du pKa de chaque fonction acido-basique. Sachant que le pHi correspond au pH où la protéine est entièrement sous la forme zwitterion, on peut facilement estimer sa valeur par une équation du type pHi = 1/2 (pKa1 +pKa2) avec pKa1 et pKa2 correspondant aux pKa des couples acidobasiques impliqués dans la formation de la forme zwitterion. 2 EXEMPLE D’ESTIMATION DU pHi D’UNE PROTÉINE Représentation schématique de la protéine considérée 2HN ALA ASP CH2 COOH LYS COOH (CH2)4 NH2 pK = 9,69 pK = 3,86 GLY pK = 10,53 pK = 2,34 EXEMPLE D’ESTIMATION DU pHi D’UNE PROTÉINE 2 Valeurs des différents pK 3,86 Couples acido-basiques dans l’ordre croissant de leur pK 2,34 COOH/COO - 0 - COOH/COO - 0 NH3+/NH2 NH3+/NH2 BILAN DES CHARGES A LA SURFACE DE LA PROTÉINE 9,69 10,53 0 - - - + + + 0 0 + + + + 0 2+ + 0 - 2 Charges apportées par la forme chimique prédominante - pH 2 EXEMPLE D’ESTIMATION DU pHi D’UNE PROTÉINE Le bilan des charges montre que la forme zwitterion (charge globale de la protéine égale à 0) est majoritaire entre pH 3,86 et pH 9,69. On aura une valeur proche de 100 % de forme zwitterion entre ce s deux pH On peut donc estimer le pHi de cette protéine à : pHi ≈ 1/2 (3,86 + 9,69) ≈ 6,775 Ce calcul est une approximation, car il considère que les couples acidobasiques non pris en compte dans le calcul se trouvent tous à 100 % sous une de leurs deux formes possibles, ce qui n ’est jamais le cas même s’il on se trouve à des valeurs de pH éloignées du pK du couple acido-basique en question. SOLUBILITÉ D’UNE PROTÉINE EN FONCTION DU pH Solubilité 3 pHi pH La solubilité d’une protéine est minimum pour une valeur de pH égale à son pHi, car à ce pH la protéine se comporte comme une molécule neutre et ses possibilités d’interaction avec l’eau par le biais de liaisons hydrogènes sont donc minimum. EFFET DE LA FORCE IONIQUE SUR LA SOLUBILITÉ D’UNE PROTÉINE Solubilité 3 1 2 Précipitation des protéines phénomène de relargage par les sels Force ionique 1 2 Phase 1 : effet dissolvant (salting in), l’augmentation de la force ionique stimule le caractère polaire de la protéine qui peut ainsi plus facilement réagir avec l’eau Phase 2 : phénomène de relargage par les sels (salting out), la solubilisation des sels présents en forte concentration mobilise les molécules d’eau qui sont ainsi retirés de leur contact avec la protéine. On observe rapidement la précipitation des protéines présentes 3 EXPLOITATION DU PHÉNOMÈNE DE RELARGAGE PAR LES SELS Plus une molécule est polaire, plus la force ionique devra être importante pour observer le phénomène de relargage par les sels. Pour une force ionique donnée, certaines protéines pourront être encore solubles alors que d’autres auront déjà été précipitées. Ce principe est couramment utilisé lors des premières étapes de purification d’une protéine pour séparer rapidement et à moindre coût les protéines des autres composants présents dans le milieu. Il est également envisageable d’exploiter le phénomène de relargage par les sels afin de séparer des protéines. EXEMPLE D’EXPLOITATION DU PHÉNOMÈNE DE RELARGAGE PAR LES SELS 3 Séparation des globulines et de l’albumine du sérum de bovin par précipitation au sulfate d’ammonium % sulfate d’ammonium (NH4)2SO4 0% 50 % Sulfate d’ammonium °° °°°° °°°° °° °° °° ° ° °° °°°° Globulines précipitées ° Albumine ° Globulines 50 % Prélèvement du surnageant 66 % Sulfate d’ammonium °°°° °°° ° Albumine précipitée 4 CLASSIFICATION DES PROTÉINES Les protéines peuvent être regroupées selon deux critères différents. En fonction de la forme des molécules On distinguera alors deux catégories : - Les protéines fibreuses - Les protéines globulaires En fonction de la composition des molécules On distinguera également deux catégories : - Les holoprotéines - Les hétéroprotéines 4 CARACTÉRISTIQUES DES PROTÉINES FIBREUSES Elles sont également appelées scléroprotéines Elles ont une forme allongée. Elles sont pratiquement insolubles On remarque l’absence de coude β dans leur structure. Il s’agit essentiellement de protéines de structure. 4 EXEMPLE DE PROTÉINES FIBREUSES La fibroïne de la soie Les collagènes des tissus conjonctifs Les tendons Les cartilages Les kératines (cheveux, poils, ongles…) 4 CARACTÉRISTIQUES DES PROTÉINES GLOBULAIRES Elles sont également appelées sphéroprotéines. Elles ont une forme sphérique. Elles sont facilement solubles. 4 EXEMPLE DE PROTÉINES GLOBULAIRES Albumine Globulines Protéines ayant une activité enzymatique 4 HOLOPROTÉINES ET HÉTÉROPROTÉINES On appelle holoprotéines des protéines constituées uniquement d’acides aminés. On appelle hétéroprotéines des protéines constituées d’une chaîne polypeptidique associée de manière covalente ou non à une partie non protéique. La partie non protéique est appelée groupement prosthétique. 4 EXEMPLES D’HÉTÉROPROTÉINES AVEC LIAISONS COVALENTES ENTRE LA PARTIE PROTÉIQUE ET LE GROUPEMENT PROSTHÉTIQUE Les phosphoprotéines (protéines estérifiées par de l’acide phosphorique au niveau de résidus sérine ou thréonine). Exemple : les caséines du lait. Les glycoprotéines (protéines dont le groupement prosthétique est de nature glucidique). Exemple : la plupart des protéines transmembranaires possèdent un ou plusieurs groupements glucidiques sur leur partie extracellulaire. 4 EXEMPLE D’HÉTÉROPROTÉINES AVEC LIAISONS NON COVALENTES ENTRE LA PARTIE PROTÉIQUE ET LE GROUPEMENT PROSTHÉTIQUE Les chromoprotéines (protéines colorées dont le groupement prosthétique contient un élément métallique). Exemple : l’hémoglobine Les lipoprotéines (association de protéines et de lipides). Les nucléoprotéines (association de protéines et d’acides nucléiques).
