Fiche de révision : Biomolécules et structures protéiques

📋 Plan du Cours

1. Oses et osides
2. Glycoprotéines et glycosaminoglycanes
3. Lipides et membranes
4. Acides aminés et peptides
5. Structures secondaires
6. Structure tertiaire et domaines
7. Structure quaternaire
8. Séparation et analyse physiques
9. Spectrométrie et électrophorèse
10. Méthodes immunologiques
11. Électrophorèse et immunodétection
12. Immunoprécipitation et analyses cellulaires
13. Protéomique et diagnostic protéique
14. Bases du repliement protéique
15. Protéines chaperons et repliement assisté
16. Dégradation et toxicité des protéines

📖 1. Oses et osides

🔑 Notions clés & Définitions

• Série D des oses : Possèdent sur leur carbone subterminal Cn-1 un groupement OH identique à celui du D-glycéraldéhyde.

• Énantiomères : Stéréoisomères de configuration images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables.
• Osides : Molécules dont l’hydrolyse fournit deux ou plusieurs molécules d’oses, identiques ou différents.

📝 Points essentiels

• En solution, la fonction C=O d’un ose réagit avec une fonction OH pour former un hémiacétal, donnant un cycle pyranose à six côtés ou furanose à cinq côtés.

📌 Dans un anomère α, le OH anomérique et le groupement CH2OH sont de part et d’autre du cycle, tandis que dans un anomère β ils sont du même côté.

📌 Un diholoside réducteur possède une liaison osido-ose laissant un OH hémiacétalique libre, tandis qu’un diholoside non réducteur possède une liaison osido-osidique entre les fonctions hémiacétaliques des deux oses.

💡 Astuce mémo

Osides = oses seuls dans les holosides, oses + aglycone dans les hétérosides

📖 2. Glycoprotéines et glycosaminoglycanes

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycosaminoglycanes : Polysaccharides anioniques constitués d’unités disaccharidiques répétées en chaînes linéaires généralement longues et constituant majeur de la matrice extracellulaire.

📝 Points essentiels

📌 À l’exception de l’acide hyaluronique, les glycosaminoglycanes sont liés à des protéines particulières et forment des protéoglycanes.

• La N-glycosylation assemble un précurseur sur le dolichol dans le réticulum endoplasmique, le transfère en bloc sur l’asparagine, élimine le glucose puis le remanie dans l’appareil de Golgi.

💡 Astuce mémo

Glycosylation → modulation de la structure et de la fonction protéiques

📖 3. Lipides et membranes

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides gras : Possèdent une fonction COOH et une longue chaîne carbonée de 4 à 24 carbones, comportant généralement un nombre pair de carbones, et circulent surtout sous forme estérifiée.

• Glycérophospholipides : Esters de glycérol comportant deux acides gras, un phosphate et un alcool, et amphiphiles avec un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile.

★ À maîtriser

• Les acides gras fournissent environ 9 kCal par gramme et jouent principalement un rôle énergétique.

• La sphingomyéline représente 30 % des membranes plasmiques, constitue un élément essentiel de la gaine de myéline et rigidifie les membranes en présence de cholestérol.

Compléments

• Les principaux acides gras saturés cités sont:
  • Acide butyrique à 4 carbones
  • Acide palmitique à 16 carbones
  • Acide stéarique à 18 carbones

💡 Astuce mémo

Pôle hydrophobe des acides gras, pôle hydrophile du phosphate

📖 4. Acides aminés et peptides

🔑 Notions clés & Définitions

• Point isoélectrique : pH auquel un acide aminé possède une charge nette neutre sous forme zwitterionique.
• pKa : pH auquel le milieu contient 50 % de sa forme protonée et 50 % de sa forme déprotonée.
• Liaison peptidique : Liaison amide particulière, plane, rigide et polaire, présentant un caractère de double liaison partielle par mésomérie.

📝 Points essentiels

• Dix-neuf des vingt acides aminés sont optiquement actifs, la glycine faisant exception, et seule la forme L est retrouvée dans les protéines.

• Les acides aminés basiques possèdent des points isoélectriques élevés, comme la lysine à 9,47, tandis que les acides aminés acides ont des points isoélectriques bas, comme l’acide aspartique à 2,98.

💡 Astuce mémo

Forme L dans les protéines, forme D non incorporée

📖 5. Structures secondaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure secondaire : Organisation tridimensionnelle locale, périodique ou régulière, de segments d’une chaîne polypeptidique.
• Boucles : Régions souvent hydrophiles et peu structurées qui connectent les hélices alpha et les feuillets bêta, portent des sites de reconnaissance ou actifs et permettent le repliement de la chaîne.

📝 Points essentiels

• Les trois grands types de structures secondaires sont:

  • Hélice alpha
  • Feuillet bêta
  • Brins ou boucles

• Dans une hélice alpha, une liaison hydrogène relie le groupement CO de l’acide aminé n au groupement NH de l’acide aminé n+4.

📌 Les brins bêta peuvent être parallèles ou antiparallèles, selon l’orientation relative des chaînes polypeptidiques.

💡 Astuce mémo

HFB : hélice alpha, feuillet bêta, boucles

📖 6. Structure tertiaire et domaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure tertiaire : Conformation tridimensionnelle d’une protéine, stabilisée par de nombreuses liaisons non covalentes et parfois par des ponts disulfure intracaténaires.
• Domaine protéique : Région compacte d’environ 30 à 500 acides aminés, adoptant une structure relativement indépendante et pouvant posséder une fonction propre.

📝 Points essentiels

• Les classifications SCOP et CATH organisent les domaines structuraux selon des niveaux hiérarchiques comprenant notamment la classe, l’architecture ou le repliement, la topologie et la famille évolutive.

• Le tonneau TIM possède huit motifs bêta-alpha et associe un cœur hydrophobe interne à des résidus hydrophiles exposés en surface.

💡 Astuce mémo

Secondaire → domaine compact → structure tertiaire fonctionnelle

📖 7. Structure quaternaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure quaternaire : Association spécifique de plusieurs chaînes polypeptidiques identiques ou différentes par des liaisons faibles non covalentes ou covalentes.

📝 Points essentiels

• Les fonctions de la structure oligomérique comprennent:

  • Régulation allostérique
  • Coopérativité
  • Architecture adaptée

• Une immunoglobuline possède deux chaînes lourdes, chacune formée de quatre domaines, et deux chaînes légères, chacune formée de deux domaines.

💡 Astuce mémo

Association de chaînes → allostérie, coopérativité ou architecture adaptée

📖 8. Séparation et analyse physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Centrifugation : Sépare une solution en un culot solide et un surnageant liquide selon une vitesse de sédimentation proportionnelle à l’intensité du champ centrifuge.
• Chromatographie : Sépare les constituants d’un mélange par adsorption ou partage entre une phase mobile et une phase stationnaire.

📝 Points essentiels

• La chromatographie d’affinité repose sur une interaction spécifique entre une protéine et un ligand immobilisé.

📌 La solubilité d’une protéine est minimale lorsque le pH est égal à son point isoélectrique, ce qui permet une précipitation isoélectrique.

💡 Astuce mémo

Séparer → détecter → quantifier

📖 9. Spectrométrie et électrophorèse

🔑 Notions clés & Définitions

• Spectrométrie de masse : Sépare des molécules ionisées selon leur rapport masse sur charge m/z.
• Électrophorèse : Sépare des molécules selon leur masse moléculaire et leur charge dans un support soumis à un champ électrique.

★ À maîtriser

📐 Formule — La loi de Beer-Lambert relie l’absorbance à la concentration selon $A = psilon lc$.

Compléments

• Une analyse par spectrométrie de masse produit les ions, les focalise et les transmet, les sépare selon m/z puis convertit leur détection en signal analysable.

💡 Astuce mémo

Électrophorèse sépare surtout par charge et masse, MS par rapport m/z

📖 10. Méthodes immunologiques

📝 Points essentiels

📌 La SDS-PAGE sépare les protéines totales d’un échantillon selon leur masse moléculaire, tandis que le Western blot détecte une protéine spécifique grâce à des anticorps.

• 🔄 La préparation et la migration en SDS-PAGE suivent les étapes suivantes:
  1. Extraction des protéines
  2. Ajout de SDS et d’un agent réducteur
  3. Chauffage à 100 °C
  4. Migration dans le gel sous champ électrique

💡 Astuce mémo

SDS-PAGE sépare toutes les protéines, Western blot détecte une protéine ciblée

📖 11. Électrophorèse et immunodétection

★ À maîtriser

📌 En condition native, les protéines migrent selon leur charge, leur masse moléculaire et leur forme, tandis qu’en condition dénaturante elles sont linéarisées et chargées uniformément afin que leur migration dépende principalement de leur masse moléculaire.

Compléments

• Les protéines peuvent être visualisées dans les gels par le bleu de Coomassie, le nitrate d’argent ou le pourpre profond, et le transfert peut être vérifié par un marquage au rouge ponceau.

💡 Astuce mémo

SDS-PAGE sépare toutes les protéines, Western blot détecte une protéine ciblée

📖 12. Immunoprécipitation et analyses cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Isoélectrofocalisation : Séparation des protéines dans un gradient de pH en les faisant se focaliser à leur point isoélectrique.
• ELISA : Méthode quantitative, sensible et spécifique fondée sur la liaison de deux anticorps à deux épitopes différents d’une même protéine, l’un primaire et l’autre secondaire.
• Cytométrie en flux : Comptage des cellules fluorescentes, mesure du pourcentage de cellules positives et quantification de l’intensité de fluorescence corrélée au niveau d’expression protéique.

📝 Points essentiels

• L’immunoprécipitation purifie une protéine à partir d’un lysat en ajoutant un anticorps spécifique, des billes affines pour l’anticorps, puis en centrifugeant, lavant et éluant le complexe.

• La détection d’une protéine B lors de la purification de la protéine A indique une interaction physique entre les protéines A et B.

💡 Astuce mémo

Capturer, laver, éluer : les trois temps de l’immunoprécipitation

📖 13. Protéomique et diagnostic protéique

★ À maîtriser

• 🔄 L’identification protéomique historique consiste à: séparer les protéines par électrophorèse, isoler un spot, digérer le spot par la trypsine, analyser les peptides par spectrométrie de masse, comparer le spectre à des bases de données

• Les méthodes diagnostiques comprennent: le dosage des protéines totales par spectrophotométrie, néphélémétrie ou turbidimétrie, l’électrophorèse des protéines, le dosage de protéines spécifiques, l’analyse protéomique

Compléments

• L’électrophorèse classique des protéines plasmatiques répartit environ 100 protéines fréquentes en cinq fractions.

💡 Astuce mémo

Séparer, digérer, mesurer, comparer : le parcours de l’identification protéomique

📖 14. Bases du repliement protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Repliement protéique : Christian B. Anfinsen, 1961 — Processus physique par lequel une protéine adopte une structure tridimensionnelle appelée conformation native, qui lui confère sa fonction biologique.
• Dénaturation : Modification réversible ou irréversible de la conformation native sans rupture des liaisons covalentes, à l’exception possible des ponts disulfure, et sans modification de la structure primaire.

★ À maîtriser

• Selon la théorie d’Anfinsen, la structure primaire conditionne essentiellement le chemin le plus probable vers la structure native fonctionnelle. — Principles that govern the folding of proteins chains, 1973

• La stabilisation de l’état replié implique:

  • des liaisons hydrogène
  • des liaisons ioniques ou ponts salins
  • des interactions pi-pi et cation-pi
  • des forces de van der Waals
  • des ponts disulfure
  • l’effet hydrophobe

• Le repliement spontané d’une protéine peut aboutir à la structure native en 0,9 seconde, alors qu’un processus réalisé au hasard prendrait 10^11 années selon le paradoxe de Levinthal.

Compléments

• Les modèles de repliement comprennent:
  • le modèle séquentiel et hiérarchique
  • le modèle de nucléation-condensation
  • le modèle de diffusion-collision
  • le modèle de l’effondrement hydrophobe
  • le modèle jigsaw puzzle
  • le modèle unifié

💡 Astuce mémo

Séquence primaire → interactions stabilisatrices → conformation native

📖 15. Protéines chaperons et repliement assisté

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéines chaperons : Protéines qui empêchent les chaînes mal repliées de s’agréger et leur donnent une nouvelle possibilité d’atteindre la conformation native.

★ À maîtriser

• Les principales familles de Hsp sont:
  • Hsp100
  • Hsp90
  • Hsp70
  • Hsp60
  • Hsp40
  • les petites Hsp

📌 Le système Hsp70 agit comme une holdase pour maintenir les protéines solubles et assurer notamment leur transport ou leur réactivation, tandis que le système TRiC/CCT agit comme une foldase pour le repliement dans une cage moléculaire. — Rothman et al., 2011

• 🔄 Le cycle DnaK comprend: la liaison de Hsp40 à la protéine mal repliée, l’interaction avec Hsp70 et l’hydrolyse de l’ATP, l’action du facteur d’échange de nucléotides, la libération de l’ADP et la fixation d’un nouvel ATP

Compléments

• La dénaturation peut être induite par:

  • la chaleur
  • des pH extrêmes
  • les rayons ultraviolets
  • les rayons X
  • une concentration saline élevée
  • une baisse de la concentration en oxygène
  • des agents chaotropes et des détergents
  • des mutations somatiques

• Dans le réticulum endoplasmique, la protéine disulfide isomérase forme et réarrange les ponts disulfure, tandis que la peptidyl-prolyl isomérase catalyse la conversion de liaisons peptidiques impliquant la proline.

• Chez les bactéries, environ 70 % des chaînes se replient rapidement sans aide, 20 % des chaînes polypeptidiques longues impliquent DnaJ-DnaK et 10 % impliquent les chaperonines GroEL-GroES.

💡 Astuce mémo

Holdases maintiennent les protéines solubles, foldases les replient avec l’ATP

📖 16. Dégradation et toxicité des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• ERAD : Voie ciblant les protéines mal repliées du réticulum endoplasmique pour leur ubiquitination puis leur dégradation par le protéasome.

★ À maîtriser

• 🔄 Le couplage BAG6-protéasome: reconnaît les protéines exposant des résidus hydrophobes, les ubiquitine par l’E3-ligase RNF126, les adresse au protéasome 26S via RPN13

• 🔄 L’ubiquitination implique (Ciechanover, Hershko et Rose, 2004): l’activation de l’ubiquitine par E1 en présence d’ATP, le transfert de l’ubiquitine à E2, la reconnaissance de la protéine cible par E3 et son ubiquitination, l’élongation possible de la chaîne polyubiquitine par E4

• 🔄 Dans l’ERAD, la protéine mal repliée est: rétrotransloquée vers le cytoplasme par le complexe p97/Cdc48, remodelée au niveau de sa chaîne d’ubiquitine, transférée au protéasome 26S, dégradée grâce à six ATPases AAA

• Hsp70 peut favoriser l’agressivité tumorale et la formation de métastases, notamment parce qu’elle est abondante dans de nombreuses cellules cancéreuses et possède une fonction anti-apoptotique.

Compléments

• Les approches thérapeutiques citées comprennent:
  • les inhibiteurs d’Hsp70
  • les inhibiteurs d’Hsp90
  • la geldanamycine
  • le pifithrin-μ
  • l’apoptozole
  • le panaxynol et la platycodine D
  • les siRNA dirigés contre Hsp70

💡 Astuce mémo

Reconnaître, ubiquitiner, rétrotransloquer, dégrader

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des structures protéiques

Comparaison des méthodes analytiques