Fiche de révision : Hémoglobine et enzymologie

📋 Plan du Cours

1. Structure et classification des acides aminés
2. Ionisation et propriétés des acides aminés
3. Réactivité et fonctions des acides aminés
4. Organisation et fonctions des protéines
5. Structures secondaires et repliement protéique
6. Protéines spécialisées et méthodes d’étude
7. Structure et oxygénation de l’hémoglobine
8. Affinité et régulation de l’hémoglobine
9. Drépanocytose et hémoglobine S
10. Principes généraux de l’enzymologie
11. Site actif et catalyse enzymatique
12. Cofacteurs et organisation enzymatique
13. Régulation et spécificité enzymatiques
14. Cinétique et inhibition enzymatiques

📖 1. Structure et classification des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide α-aminé : Possède un carbone α portant une fonction amine NH₂, une fonction carboxyle COOH, un hydrogène et un radical R variable.

★ À maîtriser

• Les 20 acides aminés naturels sont les éléments de construction des protéines.

📌 Les acides aminés essentiels ne peuvent pas être synthétisés par l’être humain et doivent être apportés par l’alimentation, contrairement aux acides aminés synthétisés par l’organisme.

Compléments

• Les acides aminés apolaires comprennent:

  • Val
  • Ile
  • Leu
  • Met
  • Pro
  • Phe
  • Trp
  • Ala
  • Gly

• Les acides aminés polaires non ionisables comprennent:

  • Cys
  • Tyr
  • Ser
  • Thr
  • Asn
  • Gln

💡 Astuce mémo

Chaînes apolaires hydrophobes, chaînes polaires hydrophiles

📖 2. Ionisation et propriétés des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Point isoélectrique : Le pH auquel la charge globale d’une molécule est nulle.

★ À maîtriser

📌 À pH inférieur au pHi, un acide aminé est sous forme cationique chargée positivement, tandis qu’à pH supérieur au pHi il est sous forme anionique chargée négativement.

• À pH égal au pHi, un acide aminé possède une charge globale nulle et se trouve sous forme de zwitterion.

• Les acides aminés aromatiques Phe, Trp et Tyr absorbent les ultraviolets autour de 260 à 280 nm, ce qui permet de déterminer la concentration des protéines en solution par spectroscopie.

Compléments

• Les deux acides aminés acides Asp et Glu ont un pHi proche de 3.

💡 Astuce mémo

pH acide : cation → pHi : zwitterion → pH basique : anion

📖 3. Réactivité et fonctions des acides aminés

★ À maîtriser

• La liaison peptidique se forme entre le groupe COOH α d’un acide aminé et le groupe NH₂ α d’un autre acide aminé, constituant le squelette de la structure primaire des protéines.

• La transamination transfère le groupe NH₂ d’un acide aminé à un α-cétoacide, qui devient l’acide aminé correspondant, en présence de phosphate de pyridoxal et d’une transaminase.

• Les résidus Ser, Thr et Tyr peuvent être phosphorylés, les résidus Asn peuvent être N-glycosylés et les résidus Ser et Thr peuvent être O-glycosylés.

Compléments

• La désamination libère l’azote d’un acide aminé sous forme d’ammoniac NH₃, notamment grâce à la glutaminase puis à la glutamate déshydrogénase.

💡 Astuce mémo

Réactivité du radical → modifications post-traductionnelles

📖 4. Organisation et fonctions des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : L’enchaînement linéaire de ses acides aminés reliés par des liaisons peptidiques.

📝 Points essentiels

📌 Les holoprotéines sont constituées uniquement d’acides aminés, tandis que les hétéroprotéines associent une partie protéique à un groupement prosthétique non protéique.

• Les protéines fibreuses ont principalement un rôle structural, les protéines globulaires ont une structure compacte et les protéines membranaires sont insolubles dans les solutions aqueuses mais solubilisables par des détergents.

• Les protéines assurent notamment les fonctions suivantes:

  • Catalyse
  • Transport
  • Structure
  • Contraction
  • Reconnaissance
  • Stockage
  • Régulation de la différenciation et de la croissance cellulaires

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → domaines → tertiaire → quaternaire

📖 5. Structures secondaires et repliement protéique

★ À maîtriser

• Une liaison peptidique est plane car les six atomes Cα, C, O, N, H et Cα de l’unité peptidique sont coplanaires, et sa configuration trans, d’angle ω égal à 180°, est plus favorable énergétiquement que la configuration cis.

• Dans une hélice α droite, une liaison hydrogène relie le groupe CO du résidu i au groupe NH du résidu i+4, le pas mesure 5,41 Å et l’hélice comporte 3,6 résidus par tour.

📌 Les brins β peuvent former des feuillets plissés parallèles ou antiparallèles selon l’orientation relative des chaînes polypeptidiques.

• La structure tertiaire des protéines globulaires est stabilisée principalement par les interactions hydrophobes, ainsi que par des liaisons ioniques, des liaisons hydrogène et parfois des ponts disulfure.

Compléments

• Les boucles et les coudes permettent à la chaîne polypeptidique de changer de direction et participent souvent aux sites de reconnaissance, de liaison et aux sites actifs des protéines.

💡 Astuce mémo

Hydrophobes au cœur, hydrophiles en surface

📖 6. Protéines spécialisées et méthodes d’étude

★ À maîtriser

• La myoglobine est une hétéroprotéine globulaire constituée d’une chaîne de 153 acides aminés et d’un groupement prosthétique hème, et elle stocke l’oxygène dans les muscles.

📌 Seul le fer ferreux Fe²⁺ peut fixer réversiblement O₂, tandis que le fer ferrique Fe³⁺ fixe H₂O et ne peut plus fixer O₂.

• L’hémoglobine humaine est un tétramère α₂β₂ qui fixe quatre molécules d’O₂, une par chaîne, et transporte l’oxygène dans les globules rouges.

• La fixation d’O₂ sur une chaîne de l’hémoglobine provoque la transition conformationnelle T vers R et facilite la fixation d’O₂ sur les autres chaînes, ce qui constitue la coopérativité.

• L’affinité d’une protéine pour O₂ est caractérisée par la P50, pression partielle pour laquelle 50 % des sites sont occupés, et une P50 faible indique une forte affinité.

Compléments

• La P50 est d’environ 3 pour la myoglobine et 26 pour l’hémoglobine, ce qui traduit une affinité plus forte de la myoglobine pour O₂.

💡 Astuce mémo

Myoglobine stocke O₂, hémoglobine transporte O₂

📖 7. Structure et oxygénation de l’hémoglobine

★ À maîtriser

• L’hémoglobine humaine est un tétramère α2β2 de masse moléculaire 68 000, constitué de deux chaînes α et de deux chaînes β associées par des interactions non covalentes.

📌 La désoxyhémoglobine adopte principalement la conformation T, tandis que l’oxyhémoglobine adopte la conformation R.

• La fixation d’une molécule d’O₂ sur une chaîne α déplace l’hélice F, provoque la transition T vers R et facilite la fixation d’O₂ sur les autres chaînes, ce qui constitue la coopérativité.

📐 Formule — L’oxygénation de l’hémoglobine s’écrit $\mathrm{Hb}+4\,\mathrm{O_2}\rightleftharpoons\mathrm{Hb[O_2]_4}$ et ne constitue pas une oxydation, car le fer reste à l’état ferreux Fe²⁺.

Compléments

• L’hémoglobine fixe le monoxyde de carbone avec une affinité 20 fois supérieure à celle de l’oxygène et forme une carboxyhémoglobine très stable.

💡 Astuce mémo

Désoxyhémoglobine T, oxyhémoglobine R

📖 8. Affinité et régulation de l’hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• P50 : Pression partielle d’oxygène pour laquelle 50 % des sites de fixation sont occupés.

📝 Points essentiels

• La myoglobine possède une P50 de 3 et une courbe de saturation hyperbolique, tandis que l’hémoglobine possède une P50 de 26 et une courbe sigmoïde.

• Au placenta, l’hémoglobine A maternelle α2β2 libère son oxygène au profit de l’hémoglobine fœtale α2γ2, dont l’affinité pour O₂ est supérieure.

📌 Les ions H⁺, le CO₂ et le 2,3-bisphosphoglycérate sont des effecteurs allostériques négatifs qui diminuent l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂.

• L’effet Bohr correspond à la diminution de l’affinité de l’hémoglobine pour O₂ lorsque le pH diminue, ce qui favorise la libération d’oxygène dans les tissus.

💡 Astuce mémo

Protonation, CO₂ ou BPG → affinité diminuée pour O₂

📖 9. Drépanocytose et hémoglobine S

🔑 Notions clés & Définitions

• Drépanocytose : Anomalie génétique de l’hémoglobine due à une mutation ponctuelle de la sous-unité β, produisant l’hémoglobine S à partir de l’hémoglobine A.

📝 Points essentiels

• Dans l’hémoglobine S, la valine remplace le glutamate au sixième codon de la chaîne β, le codon GTG remplaçant le codon GAG.

• La désoxyhémoglobine S forme des fibres par polymérisation de ses tétramères α2β2, ce qui réduit sa solubilité et peut obstruer les capillaires.

💡 Astuce mémo

Glu remplacé par Val → polymérisation → obstruction capillaire

📖 10. Principes généraux de l’enzymologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Protéine enzymatique synthétisée par un être vivant, dont la synthèse est déterminée génétiquement et qui accélère une réaction chimique spécifique.

★ À maîtriser

📌 Le substrat est la molécule transformée par l’enzyme, tandis que le produit est la molécule apparaissant au cours de la réaction catalysée.

📌 Les enzymes abaissent l’énergie d’activation d’une réaction et augmentent sa vitesse sans modifier son équilibre thermodynamique.

Compléments

• Les six classes d’enzymes sont:

  • Oxydoréductases
  • Transférases
  • Hydrolases
  • Lyases
  • Isomérases
  • Ligases ou synthétases

• L’anhydrase carbonique est une lyase contenant un atome de zinc dans son site actif et pouvant hydrater 10⁵ molécules de CO₂ par seconde.

💡 Astuce mémo

Enzyme → énergie d’activation diminuée → vitesse augmentée

📖 11. Site actif et catalyse enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Site actif : Poche tridimensionnelle de l’enzyme qui lie le substrat et, lorsqu’il est présent, le cofacteur, et qui contient les groupes catalytiques.

★ À maîtriser

📌 Le modèle de Fischer décrit un site actif complémentaire du substrat avant sa fixation, tandis que le modèle de Koshland décrit un ajustement induit après la fixation du substrat.

Compléments

• Les résidus nucléophiles du site actif peuvent comprendre le groupe hydroxyle des sérines, le groupe thiol des cystéines et le noyau imidazole des histidines.

📌 Une mutation qui modifie un résidu catalytique peut altérer ou supprimer la fonction enzymatique.

💡 Astuce mémo

Une poche tridimensionnelle rassemble le substrat et les résidus catalytiques

📖 12. Cofacteurs et organisation enzymatique

★ À maîtriser

📌 L’apoenzyme est la partie protéique dépourvue de cofacteur, tandis que l’holoenzyme est l’enzyme catalytiquement active associant l’apoenzyme à son ou ses cofacteurs.

📌 Un cosubstrat est lié à l’apoenzyme par des liaisons faibles et peut la quitter, tandis qu’un groupement prosthétique est lié par des liaisons de coordination ou covalentes.

• Les coenzymes dérivent des vitamines et transportent transitoirement des groupements fonctionnels spécifiques au cours des réactions enzymatiques.

Compléments

• Un cofacteur minéral est un ion inorganique tel que Cu²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ ou K⁺, tandis qu’un coenzyme est une molécule organique ou métallo-organique.

• Le NAD⁺ est un cosubstrat de déshydrogénases qui transporte des équivalents réducteurs et peut quitter une apoenzyme pour se fixer sur une autre.

💡 Astuce mémo

Apoenzyme inactive, holoenzyme active

📖 13. Régulation et spécificité enzymatiques

★ À maîtriser

• La régulation enzymatique peut agir sur la synthèse de l’enzyme par transcription et traduction ou sur l’activité de l’enzyme par des mécanismes réversibles et irréversibles.

• La phosphorylation réversible transforme une enzyme non phosphorylée en enzyme phosphorylée, tandis qu’une phosphatase réalise la réaction inverse.

• La chymotrypsine est activée irréversiblement par coupures hydrolytiques du chymotrypsinogène, précurseur inactif, avec libération de deux dipeptides.

📌 La spécificité liée à la réaction distingue des enzymes catalysant des réactions différentes, tandis que la spécificité liée au substrat distingue les substrats acceptés par une enzyme.

Compléments

• La lactose synthétase associe une sous-unité catalytique et une sous-unité modificatrice, cette dernière orientant la fixation du galactose au glucose par une liaison osidique β1-4.

💡 Astuce mémo

Transcription, phosphorylation, ligand, protéolyse

📖 14. Cinétique et inhibition enzymatiques

📝 Points essentiels

📐 Formule — La vitesse de disparition du substrat est $v=-\frac{d[S]}{dt}$, tandis que la vitesse de formation du produit est $v=\frac{d[P]}{dt}$.

• Une unité enzymatique correspond à la quantité d’enzyme qui catalyse la formation d’une micromole de produit par minute, et l’activité spécifique correspond au nombre d’unités enzymatiques par milligramme de protéine.

📐 Formule — L’équation de Michaelis-Menten est $v=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}$, où Km est la concentration en substrat pour laquelle la vitesse atteint la moitié de Vmax.

📐 Formule — L’activité maximale d’une enzyme vérifie $V_{\max}=k_{cat}[E_T]$ lorsque toute l’enzyme est liée au substrat.

📌 Un inhibiteur compétitif augmente Km apparent sans modifier Vmax, tandis qu’un inhibiteur non compétitif laisse Km inchangé et diminue Vmax.

• Les enzymes allostériques présentent souvent une courbe de saturation sigmoïde et peuvent être activées ou inhibées par des effecteurs qui modifient leur affinité ou leur activité.

💡 Astuce mémo

Compétitive : Km augmente ; non compétitive : Vmax diminue

📊 Tableaux de synthèse

Myoglobine et hémoglobine

Comparaison des protéines fixant l’oxygène