Fiche de révision : Acides aminés et protéines

📋 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 rôles des protéines
5. Structures secondaires des protéines
6. Repliement et domaines protéiques
7. Protéines membranaires et oligomères
8. Flexibilité, dénaturation et détection
9. Myoglobine et hémoglobine
10. Structure et allostérie de l’hémoglobine
11. Transport des gaz et affinité
12. Drépanocytose et hémoglobine S
13. Fondements de la catalyse enzymatique
14. Structure et régulation des enzymes
15. Cinétique et spécificité enzymatiques

📖 1. Structure et classification des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide α-aminé : Possède un carbone α portant un groupement amine, un groupement carboxyle, un atome d’hydrogène et une chaîne latérale R.

📝 Points essentiels

• 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, tandis que les acides aminés non essentiels peuvent être synthétisés par l’organisme.

💡 Astuce mémo

Chaînes apolaires hydrophobes à l’intérieur, chaînes polaires hydrophiles vers l’eau

📖 2. Ionisation et propriétés des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📌 À pH inférieur au pHi, un acide aminé est majoritairement sous forme cationique ; à pH égal au pHi, il est sous forme zwitterionique ; à pH supérieur au pHi, il est sous forme anionique.

📌 Les acides aminés apolaires sont hydrophobes et solubles dans les solvants organiques, tandis que les acides aminés polaires ionisables sont hydrophiles et insolubles dans ces solvants.

Compléments

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

• Les acides aminés aromatiques Phe, Trp et Tyr présentent une absorption caractéristique entre 260 et 280 nm.

💡 Astuce mémo

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

📖 3. Réactivité et fonctions des acides aminés

★ À maîtriser

• La désamination libère l’azote d’un acide aminé sous forme d’ammoniac puis transforme le glutamate en α-cétoglutarate par le glutamate déshydrogénase.

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

• La phosphorylation peut concerner les groupements hydroxyle des résidus sérine, thréonine et tyrosine et constitue un phénomène réversible de régulation des activités enzymatiques.

Compléments

• Lors de la transamination catalysée par l’alanine transaminase, l’alanine et l’α-cétoglutarate donnent du pyruvate et du glutamate.

💡 Astuce mémo

Réactivité du radical → modifications post-traductionnelles et fonctions cellulaires

📖 4. Organisation et rôles des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Relie le groupement COOH α d’un acide aminé au groupement NH2 α d’un autre acide aminé et forme le squelette de la structure primaire des protéines.

★ À maîtriser

• Les protéines assurent notamment les fonctions suivantes:
  • Catalyse biologique
  • Transport
  • Soutien et structure
  • Contraction
  • Reconnaissance
  • Stockage
  • Contrôle de la différenciation et de la croissance cellulaire

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

Compléments

• Un acide aminé a une masse moyenne de 110 g/mol et l’hémoglobine humaine contient 574 acides aminés pour une masse moléculaire de 64 500 g/mol.

💡 Astuce mémo

Acides aminés → peptide → polypeptide → protéine fonctionnelle

📖 5. Structures secondaires des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélice α : Une structure secondaire dans laquelle une liaison hydrogène relie le groupement CO du résidu i au groupement NH du résidu i+4.

★ À maîtriser

• Les niveaux structuraux des protéines sont:
  • Structure primaire : séquence des acides aminés
  • Structure secondaire : hélices α et feuillets β
  • Structure tertiaire : organisation tridimensionnelle des domaines
  • Structure quaternaire : association de plusieurs sous-unités

• L’hélice α droite possède 3,6 résidus par tour, un pas de 5,41 Å et des chaînes latérales projetées vers l’extérieur.

📌 Les brins β presque étirés forment des feuillets β parallèles lorsque les brins ont la même orientation et antiparallèles lorsqu’ils ont des orientations opposées.

Compléments

• Les tours de 2 à 4 acides aminés relient deux brins β antiparallèles, tandis que les boucles de plus de 4 acides aminés relient des hélices et des brins β et représentent environ un tiers des acides aminés d’une protéine.

💡 Astuce mémo

Hélice α enroulée, feuillet β étiré

📖 6. Repliement et domaines protéiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Domaine fonctionnel : Une unité de repliement de la structure tertiaire qui constitue un module fonctionnel pouvant être partagé par différentes protéines d’une même famille ou super-famille.

★ À maîtriser

📌 Dans une protéine globulaire en milieu aqueux, les résidus hydrophobes se concentrent à l’intérieur et les résidus polaires hydrophiles se retrouvent à la surface en interaction avec l’eau.

• La structure tertiaire est stabilisée par:
  • Liaisons ioniques ou électrostatiques
  • Liaisons hydrogène
  • Interactions hydrophobes
  • Ponts disulfure covalents

Compléments

• Un pont disulfure est une liaison covalente formée par oxydation de deux groupements thiol appartenant à deux résidus de cystéine.

💡 Astuce mémo

Résidus hydrophobes enfouis → repliement globulaire et cœur hydrophobe

📖 7. Protéines membranaires et oligomères

🔑 Notions clés & Définitions

• Oligomère : Un complexe constitué de l’association non covalente d’au moins deux sous-unités monomériques, avec éventuellement des ponts disulfure entre sous-unités.

★ À maîtriser

📌 Les protéines membranaires transmembranaires possèdent principalement des résidus apolaires dans la bicouche lipidique, tandis que les porines forment des tonneaux β permettant le passage de petites molécules.

• L’hémoglobine humaine est un tétramère α2β2 composé de deux chaînes α et de deux chaînes β.

Compléments

• La partie transmembranaire en hélice α contient environ 20 acides aminés principalement apolaires et hydrophobes.

💡 Astuce mémo

Segment transmembranaire hydrophobe, surface extracellulaire glycosylée

📖 8. Flexibilité, dénaturation et détection

★ À maîtriser

📌 La dénaturation réversible par l’urée à 8 M, le chlorure de guanidinium ou le β-mercaptoéthanol peut être suivie d’une renaturation, tandis que la chaleur, les UV, les acides, les bases et les solvants organiques provoquent une dénaturation irréversible.

• La SDS-PAGE dénature les protéines avec le SDS, les charge négativement puis les fait migrer dans un gel de polyacrylamide selon leur taille, les plus grandes restant en haut et les plus petites migrant vers le bas.

• Lors d’un Western blot, un anticorps primaire se fixe à l’épitope de la protéine d’intérêt puis un anticorps secondaire détectable se fixe à l’anticorps primaire pour révéler la protéine.

Compléments

• La cristallographie aux rayons X et la cryo-microscopie électronique permettent de reconstruire des modèles moléculaires tridimensionnels dont les coordonnées atomiques peuvent être déposées dans la Protein Data Bank.

💡 Astuce mémo

Dénaturation → séparation → coloration ou anticorps → détection

📖 9. Myoglobine et hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Myoglobine : Une hétéroprotéine globulaire constituée d’une seule chaîne de 153 acides aminés associée à un groupement prosthétique hème et assurant le stockage de l’oxygène dans le muscle.

📝 Points essentiels

📌 Seul le fer ferreux Fe2+ peut fixer réversiblement O2, tandis que le fer ferrique Fe3+ fixe une molécule d’eau et ne peut plus fixer O2.

• L’hémoglobine humaine contient deux chaînes α et deux chaînes β, chacune pouvant fixer une molécule d’O2, soit quatre molécules d’O2 par hémoglobine.

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

📌 La myoglobine possède une forte affinité pour O2 avec une P50 faible de 3, tandis que l’hémoglobine possède une affinité plus faible avec une P50 élevée de 26.

• Le monoxyde de carbone se lie à l’hémoglobine avec une affinité 20 fois supérieure à celle de l’oxygène et forme la carboxyhémoglobine.

💡 Astuce mémo

Myoglobine : stockage monomérique ; hémoglobine : transport tétramérique coopératif

📖 10. Structure et allostérie de l’hémoglobine

📝 Points essentiels

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

📌 La désoxyhémoglobine adopte principalement la conformation T, tandis que l’oxyhémoglobine adopte la conformation R, et l’insertion d’un O₂ dans une chaîne α favorise la transition T vers R dans les autres chaînes.

• La fixation successive de l’oxygène sur l’hémoglobine provoque des changements de conformation des sous-unités, ce qui augmente la possibilité de fixer d’autres molécules d’O₂ et produit une coopérativité positive.

📐 Formule — L’oxygénation de l’hémoglobine s’écrit $\mathrm{Hb}+4\,\mathrm{O_2}\rightleftharpoons\mathrm{Hb[O_2]_4}$, sans oxydation du fer qui reste sous forme ferreuse Fe²⁺.

💡 Astuce mémo

Désoxyhémoglobine T, oxyhémoglobine R : T tendue, R relâchée

📖 11. Transport des gaz et affinité

🔑 Notions clés & Définitions

• P50 : Pression partielle d’oxygène pour laquelle 50 % des sites de fixation sont occupés ; une P50 faible traduit une forte affinité pour O₂ et une P50 élevée une faible affinité.

★ À maîtriser

📌 La myoglobine possède une plus forte affinité pour l’oxygène que l’hémoglobine, avec une courbe de saturation hyperbolique pour la myoglobine et sigmoïde pour l’hémoglobine.

📌 Au placenta, l’hémoglobine fœtale α2γ2 possède une plus grande affinité pour O₂ que l’hémoglobine adulte α2β2, ce qui permet le transfert d’O₂ vers le fœtus.

• Les principaux effecteurs allostériques négatifs sont:
  • ions H⁺
  • CO₂
  • 2,3-bisphosphoglycérate

Compléments

• Dans les tissus, la P50 de la myoglobine est d’environ 3, tandis que celle de l’hémoglobine est d’environ 26.

💡 Astuce mémo

CO ou acidité accrue → affinité réduite pour O₂ → libération facilitée

📖 12. 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 la place de l’hémoglobine A.

★ À maîtriser

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

• La désoxyhémoglobine S polymérise par des interactions hydrophobes entre la valine de β et la phénylalanine 85 ainsi que la leucine 88 d’une autre chaîne β, formant des fibres.

Compléments

• Les fibres de désoxyhémoglobine S déforment les globules rouges en faucille et peuvent provoquer une obstruction des capillaires ainsi que des thromboses.

💡 Astuce mémo

Glu remplacé par Val → bosse hydrophobe → polymérisation → obstruction capillaire

📖 13. Fondements de la catalyse enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Protéine enzymatique synthétisée par un être vivant, dont la synthèse est déterminée génétiquement et qui accélère une réaction chimique spécifique sans modifier son équilibre.
• Site actif : Poche tridimensionnelle de l’enzyme qui lie le substrat et les éventuels cofacteurs et contient les résidus d’acides aminés directement impliqués dans la catalyse.

★ À maîtriser

• Les enzymes abaissent l’énergie d’activation d’une réaction, ce qui augmente sa vitesse sans modifier l’énergie libre globale ni l’équilibre réactionnel.

Compléments

• Les enzymes sont réparties en six classes:

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

• L’anhydrase carbonique, une lyase contenant un atome de zinc dans son site actif, hydrate le CO₂ en acide carbonique qui se dissocie rapidement en H⁺ et HCO₃⁻.

💡 Astuce mémo

Substrat → complexe enzyme-substrat → produit

📖 14. Structure et régulation des enzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Holoenzyme : Enzyme catalytiquement active formée par l’apoenzyme associée à un cofacteur minéral, un coenzyme ou les deux.

★ À maîtriser

📌 Un cofacteur est un composé chimique non protéique nécessaire à l’activité de certaines enzymes, tandis qu’une enzyme active dépourvue de cofacteur peut fonctionner avec ses seuls résidus d’acides aminés.

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

• La phosphorylation réversible peut activer ou inhiber une enzyme : une kinase ajoute un phosphate et une phosphatase le retire.

📌 Les complexes multienzymatiques transmettent directement le produit d’une enzyme à l’enzyme suivante, tandis que les isoenzymes sont différentes formes moléculaires ayant la même activité enzymatique.

Compléments

• Les coenzymes sont des molécules organiques thermostables qui transportent transitoirement des groupements fonctionnels spécifiques et dérivent souvent de vitamines.

💡 Astuce mémo

Le site actif forme une poche tridimensionnelle où le substrat s’emboîte

📖 15. Cinétique et spécificité enzymatiques

★ À maîtriser

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

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

📐 Formule — La vitesse maximale vérifie $V_{\max}=k_{cat}[E_T]$ lorsque le substrat est à concentration saturante et que toute l’enzyme est sous forme de complexe enzyme-substrat.

• Une inhibition compétitive augmente Km sans modifier Vmax, tandis qu’une inhibition non compétitive ne modifie pas Km mais diminue Vmax.

• Les enzymes allostériques présentent généralement une courbe sigmoïde de vitesse en fonction de la concentration en substrat, et leurs effecteurs peuvent modifier l’affinité ou l’activité.

• La spécificité liée à la réaction distingue les enzymes selon la transformation catalysée, tandis que la spécificité liée au substrat distingue les molécules sur lesquelles elles peuvent agir.

Compléments

• 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.

• Dans un système allostérique K, les effecteurs modifient uniquement l’affinité apparente Km, tandis que dans un système V ils modifient la vitesse réactionnelle sans changer l’affinité.

• La pepsine hydrolyse des liaisons impliquant un acide aminé aromatique par son groupement aminé, la trypsine celles impliquant la lysine ou l’arginine par leur groupement carboxylique, la chymotrypsine celles impliquant Phe, Tyr, Trp, Leu ou Met par leur groupement carboxylique, et l’élastase celles impliquant Gly, Ala, Val ou Ile par leur groupement carboxylique.

💡 Astuce mémo

Compétitif : Km augmente, Vmax inchangée ; non compétitif : Km inchangé, Vmax diminue

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison myoglobine et hémoglobine

Effets des inhibiteurs enzymatiques