Fiche de révision : Acides aminés et protéines

📋 Plan du Cours

1. Structure et propriétés des acides aminés
2. Réactivité et rôles des acides aminés
3. Organisation et fonctions des protéines
4. Structures secondaires et repliement
5. Protéines membranaires et stabilité
6. Myoglobine et hémoglobine
7. Détection et étude des protéines
8. Structure et coopérativité de l’hémoglobine
9. Fixation des gaz et affinité
10. Régulation allostérique de l’hémoglobine
11. Drépanocytose et hémoglobine S
12. Principes généraux de l catalyse enzymatique
13. Régulation et organisation des enzymes
14. Site actif et cofacteurs
15. Chymotrypsine et spécificité protéolytique
16. Cinétique et inhibition enzymatiques
17. Allostérie et spécificité enzymatique

📖 1. Structure et propriétés des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide α-aminé : Possède une fonction amine et une fonction carboxyle portées par le même carbone α, auquel est également attaché un radical R.

★ À maîtriser

• Les acides aminés naturels sont des ions dipolaires, ou zwitterions, et sont solubles dans l’eau comme les composés ioniques.

• Les 20 acides aminés naturels constituent 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.

• À pH inférieur au pHi, un acide aminé est majoritairement cationique, à pH égal au pHi il est globalement neutre sous forme zwitterionique, et à pH supérieur au pHi il est majoritairement anionique.

• Le pHi est le pH pour lequel la charge globale d’une molécule est nulle, et chaque acide aminé possède un pHi différent selon son radical.

• Les acides aminés apolaires sont:

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

• Les acides aminés aromatiques Phe, Trp et Tyr présentent une absorption caractéristique vers 260–280 nm, utilisée pour déterminer la concentration des protéines en solution.

Compléments

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

• Les acides aminés polaires non ionisables sont:

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

💡 Astuce mémo

Chaîne apolaire = hydrophobe, chaîne polaire = hydrophile

📖 2. Réactivité et rôles des acides aminés

📝 Points essentiels

• 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.

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

• 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 réactivité des radicaux permet la N-glycosylation des Asn, la O-glycosylation des Ser et Thr, la phosphorylation des Ser, Thr et Tyr, ainsi que l’acétylation des Lys.

💡 Astuce mémo

Réactivité du radical → modifications post-traductionnelles

📖 3. Organisation et fonctions des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : L’enchaînement des acides aminés dans une chaîne polypeptidique.

★ À maîtriser

📌 Les holoprotéines sont constituées uniquement d’acides aminés, tandis que les hétéroprotéines associent une holoprotéine 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 fonctions citées des protéines sont: catalyse, transport, soutien et structure, contraction, reconnaissance, stockage, contrôle de la différenciation et de la croissance cellulaire

Compléments

• La masse moyenne d’un acide aminé dans une protéine est d’environ 110 g/mol, et 1 Da équivaut à 1 g/mol.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → domaines → tertiaire → quaternaire

📖 4. Structures secondaires et repliement

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélice α : Une structure secondaire dans laquelle les liaisons hydrogène relient le groupe CO d’un résidu i au groupe NH du résidu i+4.

★ À maîtriser

• La liaison peptidique est plane, car les quatre atomes C, O, N et H ainsi que les deux carbones α adjacents sont coplanaires.

• La configuration trans de la liaison peptidique est plus favorable énergétiquement que la configuration cis en raison d’un encombrement stérique minimal entre les résidus adjacents.

• Une hélice α droite possède un pas de 5,41 Å et 3,6 résidus par tour, avec les chaînes latérales orientées vers l’extérieur.

📌 Un feuillet β antiparallèle associe des brins orientés en sens opposés, tandis qu’un feuillet β parallèle associe des brins orientés dans le même sens.

Compléments

• Les tours de 2 à 4 acides aminés connectent deux brins β antiparallèles, tandis que les boucles de plus de 4 acides aminés relient notamment des hélices et des brins β.

• Les boucles et les coudes participent souvent à la formation des sites de reconnaissance, de liaison et actifs des protéines et des enzymes.

💡 Astuce mémo

Un cœur hydrophobe enfoui sous une surface hydrophile

📖 5. Protéines membranaires et stabilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Domaine fonctionnel : Une unité de repliement de la structure tertiaire pouvant constituer un module fonctionnel, par exemple pour fixer un ligand ou un substrat.

★ À maîtriser

• Dans une protéine globulaire en milieu aqueux, les résidus hydrophobes se regroupent au cœur de la protéine tandis que les résidus polaires hydrophiles restent à la surface en interaction avec l’eau.

• Les interactions stabilisant la structure tertiaire sont:

  • liaisons ioniques ou électrostatiques
  • liaisons hydrogène
  • interactions hydrophobes
  • ponts disulfure

• Un pont disulfure est une liaison covalente formée entre deux résidus de cystéine par oxydation de leurs groupes sulfhydryle.

• Les protéines transmembranaires comportent principalement des résidus apolaires hydrophobes dans la bicouche lipidique, et leur segment transmembranaire en hélice α compte environ 20 acides aminés.

📌 La dénaturation par l’urée à 8 M rompt les liaisons hydrogène, les forces de van der Waals et les interactions hydrophobes, tandis que le β-mercaptoéthanol rompt les ponts disulfure.

Compléments

📌 Les protéines intrinsèquement désordonnées ne possèdent pas durablement de structure secondaire et peuvent se structurer après une modification post-traductionnelle ou au contact d’autres protéines.

💡 Astuce mémo

Segments transmembranaires hydrophobes, boucles exposées hydrophiles

📖 6. Myoglobine et hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Myoglobine : Une hétéroprotéine globulaire constituée d’une chaîne de 153 acides aminés associée à un groupement prosthétique hème.

📝 Points essentiels

• La myoglobine stocke l’oxygène dans les cellules des muscles squelettiques et du myocarde grâce à un fer héminique qui fixe réversiblement O2.

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

• L’hémoglobine humaine adulte est un tétramère α2β2 qui peut fixer quatre molécules d’O2, une par chaîne globinique.

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

• L’hémoglobine a une affinité pour le monoxyde de carbone 20 fois supérieure à celle de l’oxygène, ce qui forme la carboxyhémoglobine et concurrence l’oxygénation.

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

💡 Astuce mémo

Myoglobine stocke, hémoglobine transporte

📖 7. Détection et étude des protéines

★ À maîtriser

• En SDS-PAGE, le SDS dénature les protéines et les charge négativement, puis les protéines migrent dans un gel de polyacrylamide selon leur taille, les plus grandes restant en haut et les plus petites allant vers le bas.

• Le Western blot détecte une protéine après séparation électrophorétique grâce à un anticorps primaire spécifique puis à un anticorps secondaire détectable.

Compléments

📌 La cristallographie aux rayons X exploite l’interaction des rayons X avec le nuage électronique, tandis que la cryo-microscopie électronique exploite l’interaction des électrons avec ce nuage.

• Les coordonnées tridimensionnelles des atomes obtenues par cristallographie ou cryo-microscopie électronique peuvent être déposées dans la Protein Data Bank.

💡 Astuce mémo

Séparer → colorer ou immunodétecter → déterminer la structure

📖 8. Structure et coopérativité de l’hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Hémoglobine : Protéine tétramérique α2β2 formée de deux chaînes α et de deux chaînes β associées par des interactions non covalentes, avec une masse moléculaire de 68 000.

📝 Points essentiels

📌 La désoxyhémoglobine adopte principalement la forme T, tandis que l’oxyhémoglobine adopte la forme R, et la fixation d’un O₂ favorise la transition T vers R dans les autres sous-unités.

• La fixation de l’O₂ sur une chaîne α déplace l’hélice F, provoque la transition T vers R et modifie la conformation des autres chaînes, ce qui permet la fixation successive d’O₂ par coopérativité positive.

💡 Astuce mémo

Forme T = tension, forme R = relâchée

📖 9. Fixation des gaz et affinité

🔑 Notions clés & Définitions

• P50 : Pression partielle d’oxygène pour laquelle 50 % des sites de fixation sont occupés ; une P50 faible indique une forte affinité pour l’O₂, tandis qu’une P50 élevée indique une faible affinité.

📝 Points essentiels

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

• L’hémoglobine a une affinité pour le monoxyde de carbone 20 fois supérieure à celle de l’oxygène, ce qui forme une carboxyhémoglobine très stable et peut provoquer malaises, céphalées et mort par asphyxie.

💡 Astuce mémo

CO ou CO₂ fixé → transport et affinité de l’O₂ modifiés

📖 10. Régulation allostérique de l’hémoglobine

📝 Points essentiels

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

• Au placenta, l’hémoglobine fœtale α2γ2 a une affinité pour l’O₂ supérieure à celle de l’hémoglobine adulte α2β2, ce qui permet à l’hémoglobine maternelle de libérer son O₂ au profit du fœtus.

• Les principaux effecteurs allostériques négatifs sont:

  • ions H+
  • CO₂
  • 2,3-bisphosphoglycérate

💡 Astuce mémo

H-C-B : H⁺, CO₂, BPG diminuent l’affinité

📖 11. Drépanocytose et hémoglobine S

📝 Points essentiels

• La drépanocytose résulte d’une mutation ponctuelle du sixième codon de la chaîne β, dans laquelle GTG remplace GAG et la valine remplace le glutamate.

• Dans la désoxyhémoglobine S, les interactions hydrophobes impliquant la valine favorisent la polymérisation des tétramères, la formation de fibres, l’obstruction capillaire et les thromboses.

💡 Astuce mémo

Glu6→Val → bosse hydrophobe → polymérisation → obstruction

📖 12. Principes généraux de l 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.

★ 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 entre substrats et produits.

Compléments

• Les enzymes sont réparties en six classes:
  • oxydoréductases
  • transférases
  • hydrolases
  • lyases
  • isomérases
  • ligases ou synthétases

📖 13. Régulation et organisation des enzymes

★ À maîtriser

• Les principaux niveaux de régulation sont: contrôle de la synthèse par transcription et traduction, phosphorylation ou déphosphorylation, modification covalente, coupure protéolytique, liaison de ligands

Compléments

• La chymotrypsine est produite sous forme inactive de chymotrypsinogène puis activée irréversiblement par des coupures hydrolytiques de la chaîne peptidique.

💡 Astuce mémo

Transcription → phosphorylation → ligand

📖 14. Site actif et cofacteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Site actif : Poche tridimensionnelle de l’enzyme qui lie le substrat et, lorsqu’il existe, le cofacteur, et qui contient les résidus d’acides aminés participant directement à la catalyse.
• Holoenzyme : Enzyme catalytiquement active constituée d’une apoenzyme associée à son cofacteur minéral, son coenzyme ou les deux.

★ À maîtriser

📌 Le modèle clé-serrure de Fischer suppose une complémentarité préexistante entre le substrat et le site actif, tandis que le modèle de l’ajustement induit de Koshland suppose que cette complémentarité apparaît après la liaison du substrat.

📌 Un cofacteur minéral est un ion inorganique, tandis qu’un coenzyme est une molécule organique ou métallo-organique nécessaire à certaines enzymes.

Compléments

• Les principaux groupements nucléophiles cités sont:
  • groupe hydroxyle des sérines
  • groupe thiol des cystéines
  • noyau imidazole des histidines

💡 Astuce mémo

Une poche enzymatique rapproche le substrat, les cofacteurs et les résidus catalytiques

📖 15. Chymotrypsine et spécificité protéolytique

🔑 Notions clés & Définitions

• Chymotrypsine : Protéase à sérine digestive constituée de trois segments peptidiques reliés par deux ponts disulfure et repliés en deux domaines.

📝 Points essentiels

• Le site actif de la chymotrypsine comprend l’acide aspartique 102, l’histidine 57 et la sérine 195.

📌 La pepsine hydrolyse des liaisons impliquant des acides aminés aromatiques par leur groupement aminé, la trypsine celles impliquant la lysine ou l’arginine par leur groupement carboxylique, et la chymotrypsine celles impliquant Phe, Tyr, Trp, Leu ou Met par leur groupement carboxylique.

💡 Astuce mémo

Trypsine → chymotrypsinogène activé → hydrolyse des liaisons aromatiques

📖 16. Cinétique et inhibition enzymatiques

★ À maîtriser

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

• La vitesse d’une réaction enzymatique augmente avec la concentration en enzyme et lui est directement proportionnelle lorsque le substrat et le temps sont constants.

📐 Formule — L’équation de Michaelis-Menten est $v=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}$, où $K_m$ est la concentration en substrat pour laquelle la vitesse atteint la moitié de $V_{max}$. — Michaelis et Menten, 1913

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

📌 Un inhibiteur compétitif augmente Km apparent sans modifier Vmax, tandis qu’un inhibiteur non compétitif ne modifie pas Km mais diminue Vmax et kcat.

Compléments

• Une unité enzymatique correspond à la quantité d’enzyme qui forme 1 micromole de produit par minute, et l’activité spécifique correspond au nombre d’unités enzymatiques par milligramme de protéine enzymatique.

💡 Astuce mémo

Compétitive : Km augmente ; non compétitive : Vmax diminue

📖 17. Allostérie et spécificité enzymatique

★ À maîtriser

• Les enzymes allostériques présentent souvent une courbe de saturation sigmoïde, contrairement aux enzymes michaeliennes qui présentent une courbe hyperbolique.

• Un activateur allostérique augmente l’affinité apparente de l’enzyme pour le substrat, tandis qu’un inhibiteur allostérique la diminue.

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

Compléments

• La spécificité enzymatique peut être liée à la réaction catalysée ou au substrat reconnu, et les peptidases comprennent les exopeptidases ainsi que les endopeptidases.

💡 Astuce mémo

Système K : affinité ; système V : vitesse

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison myoglobine et hémoglobine

Effets des inhibiteurs enzymatiques