Fiche de révision : Repliement et dégradation des protéines

📋 Plan du Cours

1. Oses et osides
2. Lipides et membranes
3. Acides aminés
4. Peptides et liaison peptidique
5. Structures secondaires
6. Structure tertiaire et domaines
7. Architectures de domaines
8. Architectures bêta des protéines
9. Architectures mixtes alpha-bêta
10. Structure quaternaire et assemblages
11. Mécanismes et thermodynamique du repliement
12. Protéines chaperons et repliement assisté
13. Dégradation et rôles pathologiques des Hsp

📖 1. Oses et osides

🔑 Notions clés & Définitions

• Série D des oses : Les oses de la série D sont rattachés au D-glycéraldéhyde parce que le OH porté par leur carbone subterminal Cn-1 est identique à celui du D-glycéraldéhyde.
• Énantiomères : Stéréoisomères de configuration images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables
• Épimères : Molécules qui ne diffèrent que par la configuration absolue d’un seul carbone asymétrique

★ À maîtriser

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

📌 Dans un diholoside réducteur, une liaison osido-ose laisse un OH hémiacétalique libre, tandis qu’un diholoside non réducteur possède une liaison osido-osidique utilisant les deux fonctions hémiacétaliques.

Compléments

• Les glycosaminoglycanes sont des polysaccharides anioniques formés par la répétition d’unités disaccharidiques, constituant majeur de la matrice extracellulaire.

💡 Astuce mémo

Osides = oses liés ; hétérosides = oses + aglycone

📖 2. Lipides et membranes

🔑 Notions clés & Définitions

• Acides gras : Les acides gras possèdent une fonction COOH et une longue chaîne carbonée de 4 à 24 carbones, généralement constituée d’un nombre pair de carbones.
• Glycérophospholipides : Les glycérophospholipides sont des esters de glycérol comportant deux acides gras, un phosphate et un alcool, avec un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile.

★ À maîtriser

• Les acides gras fournissent une énergie de 9 kcal par gramme.

• La notation des acides gras insaturés indique le nombre de carbones et de doubles liaisons, par exemple l’acide oléique $C18:1\omega9$, l’acide linoléique $C18:2\omega6$ et l’acide arachidonique $C20:4\omega6$.

• 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 phosphatidylcholines et phosphatidyléthanolamines ont une charge globale neutre, tandis que les phosphatidylsérines et phosphatidylinositols ont une charge globale négative.

💡 Astuce mémo

Pôle hydrophobe des acides gras contre pôle hydrophile phosphorique

📖 3. Acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé essentiel : Acide aminé non synthétisé par l’homme
• Point isoélectrique : pH auquel un acide aminé possède une charge nette neutre sous forme zwitterionique

📝 Points essentiels

• Les 21 acides aminés naturels entrant dans les protéines comprennent notamment la glycine, l’alanine, la valine, la leucine, l’isoleucine, la méthionine, la proline, la sérine, la thréonine, la tyrosine, la cystéine, la glutamine, l’asparagine, les acides glutamique et aspartique, la phénylalanine, le tryptophane, l’histidine, la lysine et l’arginine.

• La masse moyenne d’un acide aminé est de 110 Da, tandis que la masse des résidus varie de 57 Da pour la glycine à 186 Da pour le tryptophane.

📌 Seule la forme L des acides aminés est retrouvée dans les protéines, tandis que les formes D sont des stéréoisomères distincts.

📐 Formule — Pour un acide aminé à chaîne latérale non ionisable, le point isoélectrique vérifie $pI=\frac{1}{2}(pK_1+pK_2)$.

💡 Astuce mémo

CORN : lecture mnémotechnique de la configuration L

📖 4. Peptides et liaison peptidique

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : La liaison peptidique est une liaison amide particulière, plane, rigide et polaire, résultant de l’association de deux acides aminés.

★ À maîtriser

📌 Une chaîne polypeptidique commence par l’extrémité N-terminale portant une fonction amine libre et se termine par l’extrémité C-terminale portant une fonction carboxylique libre.

📌 La liaison peptidique adopte presque toujours une configuration trans, plus stable que la configuration cis.

Compléments

• Au-delà d’une cinquantaine d’acides aminés, on parle généralement de protéine, tandis qu’en deçà il s’agit d’un polypeptide.

• Le glutathion est un tripeptide composé de glutamate, cystéine et glycine, noté Glu-Cys-Gly.

💡 Astuce mémo

N-terminal amine libre, C-terminal carboxyle libre

📖 5. Structures secondaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure secondaire : Organisation tridimensionnelle locale, périodique ou régulière, de segments d’une chaîne polypeptidique

★ À maîtriser

• Les trois grands types de structures secondaires sont:

  • l’hélice alpha
  • le feuillet bêta
  • les brins ou boucles

• Dans une hélice alpha, une liaison hydrogène s’établit entre le groupement CO d’un acide aminé n et le groupement NH de l’acide aminé n+4.

• Les feuillets bêta peuvent être parallèles ou antiparallèles, et les chaînes latérales de deux acides aminés adjacents se dirigent dans des directions opposées.

Compléments

• Les coudes et les boucles relient les hélices alpha et les feuillets bêta, comportent souvent moins de cinq acides aminés et portent fréquemment des sites de reconnaissance ou des sites actifs.

💡 Astuce mémo

Liaisons locales → hélices, feuillets et boucles

📖 6. Structure tertiaire et domaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure tertiaire : Conformation tridimensionnelle d’une protéine, stabilisée par des liaisons non covalentes et parfois par des ponts disulfure intracaténaires
• Domaine protéique : Un domaine protéique est une région compacte de 30 à 500 acides aminés, pouvant adopter une structure et une fonction relativement indépendantes du reste de la protéine.

★ À maîtriser

• Les deux classifications principales des domaines structuraux sont SCOP, organisée en classe, fold, famille et superfamille, et CATH, organisée en classe, architecture, topologie et superfamille homologue.

Compléments

• Les protéines multidomaines représentent 65 % des protéines selon Ekman et al. 2005.

• Les méthodes de détermination de la structure tertiaire comprennent: la cristallographie par diffraction des rayons X, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, la cryo-microscopie électronique

💡 Astuce mémo

Classe → architecture → topologie → superfamille

📖 7. Architectures de domaines

★ À maîtriser

• Les domaines alpha/bêta contiennent des motifs répétés bêta-alpha-bêta reliés par des hélices alpha.

• Dans l’architecture de type globine, la myoglobine possède un faisceau de huit hélices alpha A à H formant une poche de liaison pour l’hème.

Compléments

• La retinol binding protein possède huit brins bêta tors et courbes constituant deux feuillets bêta serrés autour d’un site intérieur de fixation du rétinol.

• La superoxyde dismutase présente une architecture en sandwich bêta avec huit brins bêta antiparallèles et un site catalytique proche des atomes de cuivre et de zinc.

📖 8. Architectures bêta des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Tonneau bêta : Feuillet bêta constitué de plusieurs brins bêta qui se referme sur lui-même.

★ À maîtriser

• La protéine de liaison du rétinol présente un tonneau alterné formé de 8 brins bêta adjacents dans la séquence, torsadés et courbes, constituant deux feuillets bêta serrés l'un contre l'autre.

• Dans la protéine de liaison du rétinol, le rétinol est lié à l'intérieur du tonneau et les résidus internes sont hydrophobes tandis que les résidus externes sont hydrophiles, polaires ou chargés.

• La superoxyde dismutase possède une architecture en sandwich bêta avec un cœur hydrophobe et des atomes de cuivre et de zinc proches d'une boucle et d'une très courte hélice constituant le site catalytique.

Compléments

• La gamma-cristalline est un monomère à deux domaines, chaque domaine contenant deux motifs à clé grecque, et sa structure forme un tonneau distordu à deux feuillets bêta.

📖 9. Architectures mixtes alpha-bêta

🔑 Notions clés & Définitions

• Domaine alpha-bêta : Constitué de motifs répétés bêta-alpha-bêta reliés par des hélices alpha.
• Arrangement de Rossmann : Architecture alpha-bêta ouverte en sandwich, composée de feuillets bêta parallèles associés à des hélices alpha.

★ À maîtriser

• Le tonneau TIM de la triose phosphate isomérase possède une organisation $\left(\beta-\alpha\right)_8$, avec huit brins bêta parallèles formant un cœur hydrophobe entouré d'hélices alpha.

• Dans les domaines bêta-alpha-bêta, l'inversion des motifs positionne les boucles au-dessus et au-dessous du plan du feuillet bêta, créant une crevasse qui constitue le site de liaison des coenzymes nucléotidiques.

Compléments

• Le tonneau TIM est un domaine fonctionnel associé à une activité enzymatique, notamment celle de la pyruvate kinase.

📖 10. Structure quaternaire et assemblages

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• La structure oligomérique permet notamment la régulation allostérique de l'aspartate transcarbamylase et la coopérativité de l'hémoglobine, qui est un hétérotétramère.

• Une immunoglobuline possède deux chaînes lourdes et deux chaînes légères; chaque chaîne lourde comprend quatre domaines, dont trois constants et un variable, tandis que chaque chaîne légère comprend un domaine constant et un domaine variable.

• Dans une immunoglobuline, les domaines constants et variables adoptent une topologie en sandwich bêta, et les boucles hypervariables du domaine variable du Fab reconnaissent l'antigène.

Compléments

• Les assemblages quaternaires peuvent être des homodimères, des hétérodimères ou des homotrimères.

• Le canal potassique est constitué de quatre sous-unités qui s'associent pour former un tétramère constituant le pore du canal.

📖 11. Mécanismes et thermodynamique du repliement

🔑 Notions clés & Définitions

• Repliement protéique : Christian B. Anfinsen, Principles that govern the folding of proteins chains, 1973 — Processus physique par lequel une protéine adopte une structure tridimensionnelle appelée conformation native, qui lui confère sa fonction biologique.

★ À maîtriser

• Selon la théorie d'Anfinsen, le chemin le plus probable vers la structure native fonctionnelle est essentiellement conditionné par la structure primaire, c'est-à-dire la séquence de la protéine. — Christian B. Anfinsen, Principles that govern the folding of proteins chains, 1973

• Les interactions stabilisatrices comprennent:

  • liaisons hydrogène
  • liaisons ioniques ou ponts salins
  • interactions pi-pi et cation-pi
  • forces de van der Waals
  • ponts disulfure intracaténaires

• L'effet hydrophobe regroupe les résidus hydrophobes en régions internes, tandis que l'eau est repoussée vers l'extérieur et que l'entropie de l'eau libérée augmente.

• Le repliement protéique se déroule en une milliseconde à une microseconde selon la protéine et son environnement, alors qu'un processus aléatoire prendrait 10^11 années pour atteindre la configuration native, ce qui constitue le paradoxe de Levinthal.

Compléments

• 🔄 Le repliement séquentiel et hiérarchique suit trois étapes:

  1. Nucléation
  2. Formation rapide de structures secondaires
  3. Formation de structures supersecondaires puis de domaines

• 🔄 Le modèle de diffusion-collision comprend:

  1. Un ensemble initial de conformations aléatoires
  2. La formation de structures secondaires transitoires
  3. La collision de microdomaines en intermédiaires stables
  4. La formation de la structure native par interaction des intermédiaires multidomaines

💡 Astuce mémo

Effondrement hydrophobe → cœur compact → structure native

📖 12. Protéines chaperons et repliement assisté

🔑 Notions clés & Définitions

• Dénaturation : Modification réversible ou irréversible de la conformation native sans rupture des liaisons covalentes, à l'exception des ponts disulfure, et sans modification de la structure primaire.

★ À maîtriser

• Les deux mécanismes d'aide au repliement sont un mécanisme enzymatique dans la lumière du réticulum endoplasmique et un mécanisme protéique impliquant des protéines chaperons.

• La protéine disulfure isomérase forme et réarrange les ponts disulfure, tandis que la peptidyl-prolyl isomérase convertit les liaisons peptidiques et favorise la formation de liaisons X-Pro en cis.

• Les protéines chaperons empêchent l'agrégation des chaînes mal repliées et leur donnent une nouvelle possibilité d'atteindre la conformation native. — Horwich A., 2017

Compléments

• Les facteurs de dénaturation cités sont:

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

• Les classes Hsp sont classées ainsi:

  • Hsp100 : au-dessus de 100 kDa
  • Hsp90 : 81 à 99 kDa
  • Hsp70 : 65 à 80 kDa
  • Hsp60 : 55 à 64 kDa
  • Hsp40 : 35 à 54 kDa
  • Petites Hsp : sous 35 kDa

• Chez les bactéries, environ 70 % des chaînes se replient rapidement sans aide avec le facteur déclencheur, 20 % des chaînes polypeptidiques longues impliquent DnaJ et DnaK, et 10 % sont transférées aux chaperonines GroEL et GroES.

💡 Astuce mémo

DnaJ → DnaK → GrpE

📖 13. Dégradation et rôles pathologiques des Hsp

🔑 Notions clés & Définitions

• ERAD : Preston et Brodsky, Biochem J, 2017 — Voie cellulaire qui cible les protéines mal repliées du réticulum endoplasmique pour leur ubiquitination puis leur dégradation par le protéasome.

★ À maîtriser

• Le système DnaK comprend DnaJ, DnaK et GrpE : DnaJ se lie à la protéine mal repliée et à DnaK, DnaK hydrolyse l'ATP en ADP, puis GrpE échange l'ADP contre de l'ATP et libère le substrat.

• La liaison de l'ATP à Hsp70 provoque la libération du substrat, tandis que son hydrolyse est nécessaire au cycle de repliement.

• GroEL est un complexe en tonneau constitué de deux couronnes homo-heptamériques empilées, tandis que GroES est un anneau unique de sept sous-unités fermant l'une des extrémités.

• Dans le cytoplasme, BAG6 reconnaît les protéines exposant des résidus hydrophobes, l'E3 ligase RNF126 les ubiquitine, puis le complexe les adresse au protéasome 26S via la sous-unité RPN13 du protéasome 19S.

• L'ubiquitination implique l'activation de l'ubiquitine par E1 en présence d'ATP, son transfert sur E2, puis sa fixation sur la protéine cible reconnue par une E3 ligase, avec une élongation possible par E4. — Ciechanover, Hershko et Rose, 2004

• Hsp70 peut favoriser l'agressivité tumorale, la tumorigenèse et la formation de métastases, et son inhibition est étudiée comme approche anticancéreuse.

Compléments

• Les chaperonines GroEL et GroES replient les protéines grâce à un effet cage, à des zones hydrophobes, à l'ATP, à des changements conformationnels et à l'interaction entre les deux sites.

• Les protéines mal repliées peuvent être dégradées lorsqu'elles s'accumulent sous l'effet d'un stress du réticulum endoplasmique, de mutations, d'un défaut de translocation ou d'une surcharge de la machinerie de contrôle qualité.

💡 Astuce mémo

Reconnaissance → ubiquitination → protéasome

📊 Tableaux de synthèse

Types de structures secondaires

Principaux systèmes chaperons