Fiche de révision : Protides et protéines

📋 Plan du Cours

1. Acides aminés et ionisation
2. Liaison peptidique et radicaux
3. Niveaux structuraux des protéines
4. Interactions avec le solvant
5. Méthodes d’étude des protéines
6. Structure et fonction de l’hémoglobine
7. Transition allostérique de l’hémoglobine
8. Purification et analyse des protéines
9. Courbes de saturation et coopérativité
10. Régulation de l’affinité pour l’oxygène
11. Fonctions biologiques des protéines

📖 1. Acides aminés et ionisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide alpha-aminé : Possède une fonction acide carboxylique, une fonction amine et un radical variable reliés au même carbone alpha.
• Zwitterion : Au pH physiologique, un acide aminé porte simultanément une fonction carboxylate COO⁻ et une fonction ammonium NH₃⁺.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le pH isoélectrique vérifie $pH_i=\frac{1}{2}(pK_{a1}+pK_{a2})$.

📌 À pH inférieur au pHi, l’acide aminé est globalement positif par protonation, tandis qu’à pH supérieur au pHi il est globalement négatif par déprotonation.

💡 Astuce mémo

pH inférieur au pHi : charge positive ; pH supérieur au pHi : charge négative

📖 2. Liaison peptidique et radicaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison amide partiellement double, plane, rectangulaire et polaire, qui relie deux acides aminés.
• Ligand : Molécule susceptible de se lier de manière transitoire ou permanente à une autre molécule.

★ À maîtriser

• La liaison peptidique résulte de la condensation d’une fonction acide et d’une fonction amine avec élimination d’une molécule d’eau, tandis que la réaction inverse est une hydrolyse.

📌 Les liaisons hydrogène de la structure secondaire impliquent les atomes du squelette carboné, tandis que les interactions de la structure tertiaire impliquent principalement les chaînes latérales.

📌 Un acide aminé hydrophobe possède un indice d’hydropathie supérieur à zéro, tandis qu’un acide aminé hydrophile possède un indice d’hydropathie inférieur à zéro.

• Le repliement protéique est entraîné par le regroupement des résidus hydrophobes en un cœur compact et anhydre, puis maintenu par des liaisons hydrogène, des forces de Van der Waals, des ponts salins et des ponts disulfure.

Compléments

• Les 20 acides aminés se distinguent par la charge, la taille, la polarité et la réactivité de leur radical.

💡 Astuce mémo

Radicaux hydrophobes regroupés → cœur protéique compact

📖 3. Niveaux structuraux des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : Séquence linéaire, orientée et séquencée d’acides aminés, allant de l’extrémité N-terminale à l’extrémité C-terminale.

• Structure secondaire : Correspond aux hélices alpha et aux feuillets bêta stabilisés par des liaisons hydrogène entre les atomes du squelette carboné.
• Structure tertiaire : Conformation spatiale généralement unique et énergétiquement favorable d’une chaîne polypeptidique, indispensable à sa fonction.
• Structure quaternaire : Association de plusieurs chaînes polypeptidiques, appelées sous-unités ou protomères, par des liaisons faibles ou des ponts disulfure.

📝 Points essentiels

• Une chaîne d’au moins 50 acides aminés est qualifiée de protéine, car la masse moyenne d’un acide aminé est de 100 Da et la masse moléculaire protéique dépasse 5 kDa.

💡 Astuce mémo

Séquence primaire → hélice ou feuillet secondaire → repliement tertiaire → assemblage quaternaire

📖 4. Interactions avec le solvant

★ À maîtriser

📌 Dans une protéine soluble, les résidus hydrophobes se regroupent au cœur tandis que les résidus polaires restent en surface et interagissent avec l’eau.

📌 Dans une protéine transmembranaire, un segment hydrophobe d’au moins 20 acides aminés présentant un indice d’hydropathie supérieur à zéro peut traverser la bicouche lipidique.

• La dénaturation chimique ou thermique rompt les interactions faibles, fait perdre la structure tridimensionnelle et supprime la fonction protéique, mais celle-ci peut être récupérée après retour aux conditions initiales si la dénaturation n’est pas irréversible.

Compléments

• Le profil d’hydropathie est calculé par une moyenne flottante des indices d’hydropathie d’un segment de 11 acides aminés centré sur chaque position.

💡 Astuce mémo

Protéine soluble : cœur hydrophobe ; protéine membranaire : segments hydrophobes transmembranaires

📖 5. Méthodes d’étude des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Chromatographie : Sépare les molécules d’un mélange selon leur migration différentielle entre une phase fixe et une phase mobile.

★ À maîtriser

📌 En électrophorèse native, une protéine migre selon sa charge, sa masse et son encombrement, tandis qu’en SDS-PAGE sa migration dépend principalement de sa masse moléculaire.

• En SDS-PAGE, le SDS confère aux protéines une charge anionique proportionnelle à leur masse et la distance de migration est inversement proportionnelle à la masse moléculaire.

Compléments

• La chromatographie d’affinité permet de purifier l’hémoglobine glyquée avec du boronate comme ligand du glucose, puis une solution concentrée en glucose élue la protéine par compétition.

💡 Astuce mémo

Conditions natives : charge, taille, encombrement ; conditions dénaturantes : principalement masse moléculaire

📖 6. Structure et fonction de l’hémoglobine

★ À maîtriser

• L’hémoglobine est une protéine à structure quaternaire formée d’un hétérotétramère alpha2 bêta2 comprenant quatre globines associées par des ponts salins.

• L’hémoglobine transporte le dioxygène des poumons vers les cellules et atteint une concentration d’environ 150 g/L de sang.

📐 Formule — La fixation réversible du dioxygène par l’hémoglobine s’écrit $Hb+4O_2\rightleftharpoons Hb(O_2)_4$.

• L’hème est un groupement tétrapyrrolique centré sur un ion ferreux Fe²⁺ auquel le dioxygène se fixe par une liaison de coordination réversible.

• Dans la désoxyhémoglobine, le fer est hors du plan de l’hème et la forme T est stabilisée par des ponts salins, tandis que la fixation du dioxygène attire le fer dans le plan de l’hème, rompt certains ponts et provoque la transition vers la forme R.

Compléments

• L’histidine distale réduit l’accès du monoxyde de carbone à l’hème, alors que le monoxyde de carbone possède une affinité 25 000 fois supérieure à celle du dioxygène pour l’hème libre.

• La structure de l’hémoglobine a été résolue en 1959, et Perutz et Kendrew ont reçu le prix Nobel de chimie en 1962 pour leurs travaux sur les protéines globulaires.

💡 Astuce mémo

Fixation de O₂ → déplacement du Fe²⁺ → rupture de ponts salins → transition T vers R

📖 7. Transition allostérique de l’hémoglobine

★ À maîtriser

📌 La désoxyhémoglobine est sous forme T, avec un Fe²⁺ hors du plan de l’hème et de nombreux ponts salins, tandis que l’oxyhémoglobine est sous forme R, plus stable après fixation de l’O₂.

• La fixation de l’O₂ diminue le rayon ionique du Fe²⁺, le fait entrer dans le plan de l’hème, déplace l’histidine proximale et l’hélice F, rompt certains ponts salins et déclenche la transition T vers R.

Compléments

• Les hèmes libres fixent le monoxyde de carbone avec une affinité 25 000 fois supérieure à celle de l’oxygène, mais l’histidine distale limite l’accès du CO à l’hème par encombrement stérique.

• La délétion de l’extrémité C-terminale ou le remplacement de la tyrosine « bouton-pression » empêche la transition allostérique de l’hémoglobine.

💡 Astuce mémo

O₂ fixe le fer → l’histidine et l’hélice F bougent → les ponts salins se rompent → T devient R

📖 8. Purification et analyse des protéines

📝 Points essentiels

• L’isolement d’une protéine comprend le recueil et le broyage de l’organe source, une centrifugation par étapes pour fractionner le lysat, puis la purification de la protéine dans une fraction.

• Les chromatographies se distinguent selon leur critère de séparation:
  • Chromatographie par filtration : taille
  • Chromatographie par échange d’ions : charge
  • Chromatographie d’affinité : interaction avec un ligand

📌 En électrophorèse non dénaturante, la protéine native migre selon sa taille, sa charge et son encombrement, tandis qu’en électrophorèse dénaturante le SDS impose une migration principalement déterminée par le poids moléculaire.

💡 Astuce mémo

Broyer → centrifuger → chromatographier → électrophoréser

📖 9. Courbes de saturation et coopérativité

★ À maîtriser

📐 Formule — Le pourcentage de saturation de l’hémoglobine est $\%\,saturation=\frac{[HbO_2]}{[Hb]+[HbO_2]}\times100$.

📐 Formule — Pour une globine isolée, la constante de dissociation vérifie $K_D=\frac{[globine]\times P_{O_2}}{[oxyglobine]}$, et sa valeur correspond à la pression partielle donnant 50 % d’occupation des sites, appelée P50.

📌 Les globines isolées présentent une courbe de saturation hyperbolique et une P50 d’environ 5 mmHg, tandis que l’hémoglobine présente une courbe sigmoïde et une P50 d’environ 25 mmHg.

• Dans les capillaires pulmonaires, l’hémoglobine est saturée à 98 %, tandis qu’à une pression partielle tissulaire d’environ 20 mmHg sa saturation descend à environ 30 %, ce qui permet la libération de 72 % d’oxygène fixé.

📌 L’oxygène est un ligand allostérique activateur à effet homotrope, car sa fixation sur un hème facilite la fixation d’autres molécules d’O₂ sur les hèmes voisins.

Compléments

• La pression atmosphérique vaut 760 mmHg, soit 1 bar, 1 atm ou 100 kPa, et la pression partielle de l’O₂ atmosphérique vaut environ 150 mmHg, soit 20 kPa.

💡 Astuce mémo

Globine isolée : hyperbole et affinité constante ; Hb : sigmoïde et affinité coopérative

📖 10. Régulation de l’affinité pour l’oxygène

★ À maîtriser

• Le 2,3-bisphosphoglycérate se fixe dans la cavité centrale de la forme T, diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂ et favorise son relargage dans les tissus.

• L’hémoglobine fœtale HbF α₂γ₂ fixe moins bien le 2,3-BPG que l’hémoglobine adulte HbA, ce qui lui confère une plus grande affinité pour l’O₂ et facilite son passage placentaire.

• L’augmentation de l’acidité et de la température diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂, tandis que l’alcalose et la baisse de température l’augmentent.

• La fixation d’O₂ sur une sous-unité α déplace le Fe²⁺ d’environ 0,4 Å, entraîne l’histidine proximale et l’hélice F, déplace la tyrosine « bouton-pression », rompt les ponts salins et facilite la fixation d’O₂ sur les sous-unités β.

Compléments

• L’augmentation du 2,3-BPG lors de l’altitude diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’O₂ et augmente sa libération dans les capillaires.

• La fixation des deux premières molécules d’O₂ sur la forme T s’accompagne de la rupture de six ponts salins, tandis que celle des deux dernières molécules sur la forme R ne nécessite que la rupture de deux ponts salins.

• Dans les tissus, le CO₂ transforme l’eau en HCO₃⁻ et H⁺, le pH diminue d’environ 7,4 à 7,2 et l’hémoglobine libère environ 80 % de son O₂ au lieu de 70 %.

💡 Astuce mémo

23BPG, H⁺, CO₂ ou chaleur augmentent T → l’affinité baisse → le relargage d’O₂ augmente

📖 11. Fonctions biologiques des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéines de transport : Protéines solubles dans les compartiments aqueux, comme l’hémoglobine, ou transmembranaires, permettant le passage d’ions et de petites molécules polaires.
• Enzyme : Protéine qui catalyse une réaction chimique compatible avec la vie, fixe spécifiquement un ligand et ne réalise qu’un seul type de réaction.

★ À maîtriser

• Un anticorps est bivalent et possède deux sites de fixation d’un antigène commun, ce qui lui permet de regrouper des antigènes solubles en complexes immuns phagocytables.

• Les protéines structurales peuvent être globulaires, fibrillaires ou transmembranaires, localisées dans le cytosquelette, la matrice extracellulaire ou les membranes, et stables ou dynamiques.

• L’activité enzymatique est contrôlée par:

  • Les conditions physicochimiques du milieu
  • Des effecteurs différents du substrat
  • Des phosphorylations ou glycosylations

• Les protéines sont des macromolécules séquencées dont la conformation tridimensionnelle dynamique permet l’interaction avec des ligands spécifiques et assure des fonctions de transport, structure, catalyse, régulation et signalisation.

• Les biomolécules appartiennent à quatre grandes familles:

  • Lipides
  • Protides
  • Glucides
  • Acides nucléiques

Compléments

• La kératine est une protéine fibrillaire riche en cystéines dont deux chaînes s’enroulent en dimères puis en filaments intermédiaires stabilisés par de nombreux ponts disulfure.

• La purification d’un récepteur membranaire comprend la solubilisation de la membrane par un détergent, puis une chromatographie d’affinité utilisant son ligand immobilisé irréversiblement, avant une désorption par compétition ou dénaturation.

• Les macromolécules ont une masse supérieure à 5 kDa et comprennent les protéines, les polyosides et les acides nucléiques.

💡 Astuce mémo

TASERS : Transport, Anticorps, Structure, Enzymes, Régulation, Signalisation

📊 Tableaux de synthèse

Niveaux structuraux des protéines

États T et R de l’hémoglobine