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 générale des protéines
4. Structures secondaires des protéines
5. Repliement et domaines protéiques
6. Protéines membranaires et quaternaires
7. Stabilité et détection des protéines
8. Myoglobine et hémoglobine
9. Structure et allostérie de l’hémoglobine
10. Transport des gaz par l’hémoglobine
11. Affinité et régulation de l’oxygène
12. Drépanocytose et hémoglobine S
13. Fonctions et propriétés des enzymes
14. Régulation et organisation enzymatiques
15. Site actif et cofacteurs
16. Cinétique et spécificité enzymatiques

📖 1. Structure et propriétés des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide α-aminé : Possède une fonction amine NH2 et une fonction carboxylique COOH portées par le même carbone α, auquel est également lié un hydrogène et un radical R.

• Zwitterion : Ion dipolaire dans son état naturel, ce qui le rend soluble dans l’eau comme un composé ionique.

★ À maîtriser

• Les protéines sont construites à partir de 20 acides aminés naturels.

📌 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 synthétisés par l’organisme ne sont pas essentiels.

• Quand le pH est inférieur au pHi, l’acide aminé est majoritairement cationique ; quand le pH est égal au pHi, sa charge globale est nulle ; quand le pH est supérieur au pHi, il est majoritairement anionique.

Compléments

• Les acides aminés aromatiques phénylalanine, tryptophane et tyrosine absorbent les ultraviolets vers 260 à 280 nm, ce qui permet de déterminer spectroscopiquement la concentration des protéines en solution.

💡 Astuce mémo

Chaîne apolaire = hydrophobe, chaîne ionisable = hydrophile

📖 2. Réactivité et rôles des acides aminés

★ À maîtriser

• La décarboxylation d’un acide aminé libère du CO2 et transforme l’acide aminé en amine correspondante ; par exemple, la L-histidine produit l’histamine.

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

• La désamination libère l’azote sous forme d’ammoniac NH3, puis une déshydrogénase spécifique transforme le glutamate en α-cétoglutarate avec production de NADH et de H+.

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

Compléments

• Les chaînes latérales des acides aminés permettent la N-glycosylation des asparagines, la O-glycosylation des sérines et thréonines, la phosphorylation des sérines, thréonines et tyrosines, ainsi que l’acétylation des lysines.

💡 Astuce mémo

Décarboxylation, amidation, peptide, désamination, transamination

📖 3. Organisation générale des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : La séquence des acides aminés formant son enchaînement polypeptidique.
• Hétéroprotéine : Constituée d’une holoprotéine associée à un groupement prosthétique non protéique, qui lui confère des propriétés caractéristiques.
• Structure quaternaire : Correspond à l’association de plusieurs sous-unités protéiques par des liaisons faibles.

★ À maîtriser

• Les protéines peuvent assurer des fonctions catalytiques, de transport, de soutien structural, de contraction, de reconnaissance, de stockage et de contrôle de la différenciation et de la croissance cellulaires.

Compléments

• La masse moyenne d’un acide aminé dans une protéine est d’environ 110 g/mol et l’unité de masse moléculaire peut être le Dalton, avec 1 Da égal à 1 g/mol.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → domaines → tertiaire → quaternaire

📖 4. Structures secondaires des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélice α : Une structure secondaire dans laquelle les liaisons hydrogène relient le groupe CO du résidu i au groupe NH du résidu i+4, parallèlement à l’axe de l’hélice.

★ À maîtriser

• Une hélice α droite possède en moyenne 3,6 résidus par tour, un pas de 5,4 Å et des angles φ et ψ d’environ −57° et −47°.

📌 Les brins β sont des fragments de chaîne polypeptidique étirés qui forment des feuillets β parallèles lorsque les brins ont la même orientation et antiparallèles lorsqu’ils ont des orientations opposées.

Compléments

• Les coudes de 2 à 4 acides aminés relient deux brins β antiparallèles, tandis que les boucles de plus de 4 acides aminés relient des hélices entre elles ou des hélices à des brins β.

• Les boucles et les coudes participent souvent aux sites de reconnaissance, de liaison et aux sites actifs des protéines et sont principalement constitués de résidus polaires, parfois chargés, et hydrophiles.

💡 Astuce mémo

Hélice α enroulée, feuillet β étiré

📖 5. Repliement et domaines protéiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure tertiaire : Correspond au repliement tridimensionnel d’une chaîne polypeptidique et aux relations spatiales entre des acides aminés non contigus dans la structure primaire.
• Domaine fonctionnel : Une unité de repliement de la structure tertiaire qui constitue un module fonctionnel pouvant être partagé par des protéines différentes et assurer notamment la fixation d’un ligand ou d’un substrat.

★ À maîtriser

• Les interactions stabilisatrices comprennent:

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

• En milieu aqueux, les résidus hydrophobes se regroupent au cœur de la protéine, tandis que les résidus polaires hydrophiles se retrouvent à sa surface en interaction avec l’eau.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Enfouissement des groupes hydrophobes → repliement globulaire

📖 6. Protéines membranaires et quaternaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Oligomère : Un complexe composé de deux sous-unités monomériques ou davantage, associées principalement par des interactions non covalentes et éventuellement par des ponts disulfure.

★ À maîtriser

• Les protéines transmembranaires possèdent principalement des résidus apolaires et hydrophobes dans la partie qui traverse la double couche lipidique.

• Les porines sont des protéines membranaires en tonneau β qui permettent le passage de petites molécules à travers la membrane cellulaire.

Compléments

• Une hélice α transmembranaire comporte environ 20 acides aminés apolaires dans la membrane.

💡 Astuce mémo

Des hélices transmembranaires traversent la bicouche comme des piliers hydrophobes

📖 7. Stabilité et détection des protéines

★ À maîtriser

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

• La dénaturation réversible peut être provoquée par l’urée à 8 M ou le chlorure de guanidinium, qui rompent les liaisons hydrogène, les interactions de van der Waals et les interactions hydrophobes, ou par le β-mercaptoéthanol, qui rompt les ponts disulfure.

• Les agents ou conditions de dénaturation irréversible cités sont:

  • chaleur
  • UV
  • acides
  • bases
  • solvants organiques
  • forte agitation
  • grande dilution
  • détergents anioniques comme le SDS

• Lors d’une SDS-PAGE, le SDS dénature les protéines, expose leur structure primaire 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.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Dénaturation réversible par réactifs, irréversible par chaleur ou solvants

📖 8. Myoglobine et hémoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• La myoglobine stocke l’oxygène dans les cellules des muscles squelettiques et du myocarde, où elle fournit une réserve nécessaire aux oxydations métaboliques.

📌 Seul le fer ferreux Fe2+ de l’hème peut fixer réversiblement O2 ; lorsque le fer est oxydé en Fe3+, l’eau occupe la sixième position de coordination et O2 ne peut plus se fixer.

• L’hémoglobine humaine adulte est une métalloprotéine tétramérique composée de deux chaînes α et de deux chaînes β, chaque chaîne 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, entraîne la transition conformationnelle T vers R et facilite la fixation d’O2 sur les autres chaînes : c’est la coopération.

📌 La myoglobine a une courbe de saturation hyperbolique et une forte affinité pour O2 avec une P50 de 3, tandis que l’hémoglobine a une courbe sigmoïde, une affinité plus faible et une P50 de 26.

Compléments

• L’affinité de l’hémoglobine pour le monoxyde de carbone est 20 fois supérieure à son affinité pour O2, ce qui permet au CO de concurrencer efficacement O2 et de former de la carboxyhémoglobine.

💡 Astuce mémo

Myoglobine stocke avec forte affinité, hémoglobine transporte avec coopération

📖 9. Structure et allostérie de l’hémoglobine

📝 Points essentiels

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

📌 L’hémoglobine existe en équilibre entre une conformation T, favorisée dans la désoxyhémoglobine, et une conformation R, favorisée dans l’oxyhémoglobine.

• 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 par les autres chaînes, ce qui constitue la coopérativité.

💡 Astuce mémo

Forme T = désoxygénée et moins affine ; forme R = oxygénée et plus affine

📖 10. Transport des gaz par l’hémoglobine

★ À maîtriser

📐 Formule — L’oxygénation de l’hémoglobine s’écrit $Hb + 4O_2 \rightleftharpoons Hb[O_2]_4$ et conserve le fer à l’état ferreux Fe2+.

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

Compléments

📐 Formule — Le CO2 se fixe sur les groupements basiques de la globine en formant un carbamate selon $R-NH_2 + CO_2 \rightleftharpoons R-NH-COO^- + H^+$.

💡 Astuce mémo

O2 oxygène le fer ; CO et CO2 se fixent autrement

📖 11. Affinité et régulation de l’oxygène

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• La myoglobine possède une P50 de 3 et une forte affinité pour l’oxygène, tandis que l’hémoglobine possède une P50 de 26 et une affinité plus faible.

📌 Une baisse du pH, une augmentation du CO2 ou la présence de BPG diminuent l’affinité de l’hémoglobine pour O2 et augmentent sa P50.

Compléments

📌 Au placenta, l’hémoglobine fœtale HbF α2γ2 a une affinité plus élevée pour O2 que l’hémoglobine adulte HbA α2β2, ce qui permet à HbF de capter l’oxygène libéré par le sang maternel.

💡 Astuce mémo

pH acide, CO2 ou BPG augmentent P50 → diminuent l’affinité pour O2

📖 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.

📝 Points essentiels

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

• La valine crée une bosse hydrophobe qui favorise les interactions entre molécules de désoxyhémoglobine S, la formation de fibres, la polymérisation des tétramères et l’obstruction des capillaires.

💡 Astuce mémo

Glu → Val → bosse hydrophobe → polymérisation → obstruction

📖 13. Fonctions et propriétés des enzymes

🔑 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

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

📌 Les enzymes abaissent l’énergie d’activation d’une réaction et augmentent ainsi sa vitesse sans modifier l’énergie libre globale ni la constante d’équilibre.

Compléments

• Les six classes d’enzymes sont:
  • Oxydo-réductases
  • Transférases
  • Hydrolases
  • Lyases
  • Isomérases
  • Ligases ou synthétases

💡 Astuce mémo

Enzyme : substrat → état de transition abaissé → produit

📖 14. Régulation et organisation enzymatiques

★ À maîtriser

• La régulation enzymatique peut agir sur la synthèse de l’enzyme par transcription et traduction, ou sur son activité par inhibition, activation allostérique ou modification covalente.

• La chymotrypsine active est produite par activation protéolytique irréversible du chymotrypsinogène, avec coupures hydrolytiques et libération de deux dipeptides.

Compléments

• La lactose synthétase associe une sous-unité catalytique et une sous-unité modificatrice, cette dernière orientant la spécificité vers la formation du lactose sous le contrôle hormonal de la prolactine.

💡 Astuce mémo

Régulation réversible de l’activité versus activation irréversible des précurseurs

📖 15. 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 participant directement à la catalyse.
• Holoenzyme : Enzyme catalytiquement active formée par l’association d’une apoenzyme et, selon le cas, d’un cofacteur minéral ou d’une coenzyme.

★ À maîtriser

📌 Le modèle de Fischer décrit une complémentarité préexistante entre le site actif et le substrat, tandis que le modèle de Koshland décrit un ajustement induit après la liaison du substrat.

📌 Un cofacteur est soit un ion inorganique comme Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+ ou K+, soit une molécule organique appelée coenzyme.

Compléments

• Les principaux groupes nucléophiles cités sont:
  • OH des sérines
  • SH des cystéines
  • Noyau imidazole des histidines

💡 Astuce mémo

Une poche enzymatique rassemble substrat, cofacteur et résidus catalytiques

📖 16. 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 d’une enzyme est donnée par $V_{max}=k_{cat}[E_T]$ lorsque toute l’enzyme est liée au substrat.

📌 Une inhibition compétitive augmente Km et diminue l’affinité apparente de l’enzyme pour le substrat, mais ne modifie pas Vmax, tandis qu’une inhibition non compétitive ne modifie pas Km et diminue Vmax.

Compléments

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

• Les systèmes allostériques se distinguent ainsi:
  • Systèmes K : modification de l’affinité apparente Km
  • Systèmes V : modification de la vitesse réactionnelle
  • Systèmes mixtes : modification de l’affinité et de la vitesse

💡 Astuce mémo

Compétitive : Km augmente, Vmax inchangée ; non compétitive : Km inchangé, Vmax diminue

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison myoglobine-hémoglobine

Comparaison des inhibitions réversibles