Fiche de révision : Structure des protéines

📋 Plan du Cours

1. Acides aminés et liaison peptidique
2. Niveaux de structure protéique
3. Résonance et angles peptidiques
4. Diagramme de Ramachandran et hélices
5. Rubans et feuillets bêta
6. Collagène et tropocollagène
7. Organisation et maturation du collagène
8. Pathologies du collagène
9. Structure tertiaire et hydrophobicité
10. Méthodes d’étude de la structure tertiaire
11. Repliement et protéines chaperons
12. Maladies à prions
13. Structure quaternaire

📖 1. Acides aminés et liaison peptidique

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison amide formée par condensation des fonctions carboxylique et amine de deux acides aminés contigus, avec formation d’une liaison O=C–NH.

★ À maîtriser

• La glutamine (GLN) possède une chaîne latérale polaire non chargée, tandis que l’acide glutamique possède une chaîne latérale acide chargée.

• La sérine et la tyrosine peuvent être phosphorylées grâce à leur fonction hydroxyle, et la tyrosine est un acide aminé aromatique qui absorbe les UV avec un pic à 280 nm.

📌 Une chaîne polypeptidique se lit conventionnellement de l’extrémité amino-terminale NH3+ vers l’extrémité carboxy-terminale COO−, dans le même sens que la lecture des codons de l’ARN messager, de 5′ vers 3′.

Compléments

📌 La sérine possède une chaîne latérale polaire non ionisable, la phénylalanine possède une chaîne latérale hydrophobe et l’isoleucine est un acide aminé indispensable.

💡 Astuce mémo

Lecture de la chaîne : NH3+ vers COO−, comme la traduction 5′ vers 3′

📖 2. Niveaux de structure protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : Séquence linéaire des acides aminés d’une chaîne, dans l’ordre de leur incorporation pendant la traduction.

• Structure secondaire : Position relative répétitive d’acides aminés contigus, notamment sous forme d’hélice ou de feuillet.
• Structure tertiaire : Position relative d’acides aminés éloignés dans la séquence primaire mais rapprochés dans l’espace par le repliement de la chaîne.
• Structure quaternaire : Arrangement de plusieurs chaînes peptidiques, identiques ou non, associé par des interactions faibles non covalentes telles que les liaisons hydrogène, ioniques, de Van der Waals et hydrophobes.

📝 Points essentiels

• La spécificité fonctionnelle d’une protéine dépend de son organisation spatiale, qui peut créer des sites de fixation, de transport ou de catalyse enzymatique.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire : séquence, voisinage, repliement, assemblage

📖 3. Résonance et angles peptidiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance peptidique : Oscillation d’une liaison peptidique entre deux formes mésomériques comportant respectivement C=O et C=N.

• Angles phi et psi : L’angle phi correspond à la rotation autour de la liaison Cα–N et l’angle psi à la rotation autour de la liaison Cα–CO.

📝 Points essentiels

• La distance entre le carbone carboxylique et l’azote de la liaison peptidique est de 1,32 Å, valeur intermédiaire entre celle d’une liaison amide simple et celle d’une double liaison C=N.

📌 La résonance impose la planéité de tous les atomes de la liaison peptidique et empêche la libre rotation autour de la liaison C–N peptidique.

📌 La conformation trans, où les Cα sont de part et d’autre de la liaison peptidique, est thermodynamiquement plus stable et plus probable que la conformation cis.

💡 Astuce mémo

Liaison peptidique plane et rigide, liaisons Cα–N et Cα–CO rotatives

📖 4. Diagramme de Ramachandran et hélices

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de Ramachandran : Représentation des valeurs des angles phi et psi de chaque carbone alpha afin d’identifier les régions permises, interdites et favorisées des structures protéiques.
• Hélice alpha de Pauling : L’hélice alpha de Pauling est une structure secondaire stabilisée par des liaisons hydrogène intracaténaires entre le NH du résidu n et le C=O du résidu n+4.

★ À maîtriser

📌 Les régions interdites du diagramme de Ramachandran résultent principalement de l’encombrement stérique et des répulsions de charges, tandis que les régions favorisées sont stabilisées par des liaisons hydrogène.

Compléments

• L’hélice alpha de Pauling comporte 3,6 résidus par tour de spire, une distance moyenne de 0,15 nm entre résidus sur l’axe et un pas de 0,54 nm.

📌 La proline, les chaînes latérales volumineuses ou de même charge en positions n et n+4, ainsi qu’une proportion élevée de glycine, déstabilisent l’hélice alpha.

📌 L’hélice 310 est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les résidus n et n+3 et comporte 3 résidus par tour, tandis que l’hélice pi est stabilisée entre n et n+5 et comporte 4,4 résidus par tour.

💡 Astuce mémo

Angles φ/ψ permis → liaisons hydrogène → structures secondaires stabilisées

📖 5. Rubans et feuillets bêta

🔑 Notions clés & Définitions

• Feuillet bêta : Le feuillet bêta est constitué d’au moins deux rubans stabilisés par des liaisons hydrogène inter-rubans, et il peut être parallèle ou antiparallèle.

★ À maîtriser

📌 Dans un feuillet parallèle, les rubans orientent leurs extrémités amino-terminales et carboxy-terminales dans le même sens, alors que dans un feuillet antiparallèle ils les orientent en sens opposés.

Compléments

• Les feuillets antiparallèles sont plus stables que les feuillets parallèles, mais les deux organisations sont observables.

💡 Astuce mémo

Feuillet antiparallèle plus stable que le feuillet parallèle

📖 6. Collagène et tropocollagène

🔑 Notions clés & Définitions

• Tropocollagène : Le tropocollagène est une superhélice formée par l’association de trois hélices peptidiques de collagène, qui peuvent être identiques ou différentes.

★ À maîtriser

• Le collagène est une protéine extracellulaire représentant plus du quart des protéines animales et assurant une résistance mécanique grâce à sa résistance à la traction et à son insolubilité dans l’eau.

• La synthèse du collagène associe d’abord trois chaînes dans la cellule pour former le procollagène, puis clive ses domaines terminaux après exportation pour former le tropocollagène, qui s’assemble ensuite en fibres extracellulaires.

• La séquence primaire du collagène répète le motif Gly-X-Y, où X et Y sont des résidus quelconques souvent représentés par la proline, la lysine ou l’hydroxyproline.

📌 Chaque chaîne du collagène est une hélice gauche, et les trois chaînes s’assemblent en une superhélice droite stabilisée par des interactions entre chaînes plutôt que par des liaisons hydrogène intracaténaires.

Compléments

• Dans le domaine hélicoïdal du collagène, un exon code six répétitions Gly-X-Y, soit 18 résidus, et les gènes de tropocollagène comportent en moyenne une cinquantaine d’exons.

💡 Astuce mémo

Gly-X-Y → trois hélices gauches → superhélice droite → fibrille

📖 7. Organisation et maturation du collagène

📝 Points essentiels

• Dans l’hélice de collagène, les glycine du motif Gly-X-Y sont alignées verticalement, avec exactement trois acides aminés par tour de spire, et leur carbone alpha est dirigé vers le centre de la molécule tandis que la proline, l’hydroxyproline et la lysine sont dirigées vers la périphérie.

📌 Dans le domaine en triple hélice du collagène, les liaisons hydrogène sont exclusivement interchaînes, contrairement à l’hélice 310 qui est stabilisée par des liaisons intracaténaires.

• 🔄 La maturation du collagène suit plusieurs étapes:
  1. Assemblage intracellulaire partiel stabilisé par des ponts disulfures
  2. Excision extracellulaire des télopeptides N et C
  3. Formation de liaisons hydrogène et de ponts aldols interchaînes

💡 Astuce mémo

Collagène : liaisons interchaînes, hélice 310 : liaisons intracaténaires

📖 8. Pathologies du collagène

🔑 Notions clés & Définitions

• Syndrome d’Ehlers-Danlos : Maladie génétique due à une anomalie de la sécrétion ou de la structure du collagène, caractérisée notamment par une hyperlaxité ligamentaire et une peau hyperextensible.
• Ostéoporose : Pathologie acquise de la densité osseuse dans laquelle la résorption osseuse devient supérieure à la formation osseuse, ce qui déminéralise et fragilise l’os.

📝 Points essentiels

• Le syndrome d’Ehlers-Danlos concerne environ 1 naissance sur 3000 et peut entraîner des tendons défectueux, des douleurs, un déchaussement des dents et une déchirure de l’utérus.

• La diminution des œstrogènes au moment de la ménopause contribue au développement de l’ostéoporose.

💡 Astuce mémo

Résorption osseuse supérieure à la formation → fragilité osseuse

📖 9. Structure tertiaire et hydrophobicité

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure tertiaire : Décrit les interactions entre des acides aminés éloignés dans la structure primaire et résulte de la juxtaposition de différentes hélices, boucles et feuillets plissés.

★ À maîtriser

• Les boucles relient les segments structuraux, sont flexibles, permettent les changements de conformation et participent à la solvatation de la protéine.

• Les chaînes latérales hydrophobes se rapprochent au sein de la protéine afin de réduire leur exposition individuelle à l’eau, formant une interaction hydrophobe qui contribue au repliement et à la stabilité de la structure tertiaire.

Compléments

• L’analyse de l’hydrophobicité de la structure primaire et secondaire permet de prédire des domaines protéiques situés au cœur de la molécule ou des domaines transmembranaires.

💡 Astuce mémo

Les résidus hydrophobes se regroupent au cœur de la protéine, à l’abri de l’eau

📖 10. Méthodes d’étude de la structure tertiaire

📝 Points essentiels

• La cristallographie par rayons X nécessite de cristalliser la protéine, de soumettre le cristal aux rayons X, puis de traiter informatiquement la diffraction pour reconstruire une image tridimensionnelle de la protéine.

📌 La cristallographie fournit une structure de protéine figée et ne permet pas d’observer les changements de conformation.

• La RMN détermine la structure tridimensionnelle en mesurant les variations de fréquence des protons selon leur environnement chimique, après leur relaxation suivant l’arrêt du champ magnétique.

• La RMN peut être réalisée en solution et permet d’étudier les protéines à l’état dynamique, mais le traitement informatique devient trop complexe au-delà d’un seuil de 40 kDa.

💡 Astuce mémo

Cristallographie : protéine figée ; RMN : protéine dynamique

📖 11. Repliement et protéines chaperons

★ À maîtriser

📌 La structure secondaire repose sur des liaisons hydrogène entre les groupements C=O et NH du squelette peptidique, tandis que la structure tertiaire repose sur les interactions entre chaînes latérales d’acides aminés.

• Le repliement commence pendant la traduction, avec la formation de la structure secondaire puis de la structure tertiaire, et il est spontanément déterminé par les propriétés physicochimiques de la chaîne.

• 🔄 Les interactions se stabilisent dans l’ordre suivant:

  1. Interactions hydrophobes
  2. Liaisons hydrogène des chaînes latérales
  3. Forces de Van der Waals
  4. Liaisons ioniques
  5. Ponts disulfures

• Les protéines chaperons peuvent être nécessaires de façon optionnelle pour acquérir la structure tertiaire définitive ou réparer des protéines dont la structure est endommagée.

• Hsp70 se lie et se détache de façon répétée des régions hydrophobes d’une protéine mal repliée grâce à des cycles dépendants de l’ATP, ce qui empêche son agrégation et lui laisse le temps de se replier.

Compléments

• HSP60, une chaperonine ATPase, piège puis libère une protéine cible dans la cavité de sa structure en tonneau afin de l’isoler du milieu extérieur pendant son repliement.

💡 Astuce mémo

Hydrophobe → hydrogène → Van der Waals → ionique → disulfure

📖 12. Maladies à prions

★ À maîtriser

• La maladie de Creutzfeldt-Jakob et le Kuru sont des encéphalopathies spongiformes caractérisées par un aspect cérébral en éponge et des conséquences cliniques graves.

• En 1982, Prusiner a proposé que l’agent infectieux du Kuru soit une protéine appelée prion, acronyme de Proteinaceous Infectious particle ONly.

📌 La forme normale du prion, appelée PrPc, possède une structure comportant trois hélices, tandis que la forme pathologique PrPsc comporte 30 % d’hélice et 45 % de feuillets.

• La forme PrPsc peut induire la conversion de la protéine normale PrPc en PrPsc, ce qui explique la propagation progressive de la conformation anormale.

📌 Dans les formes génétiques comme la maladie de Creutzfeldt-Jakob, une mutation provoque la conformation anormale du prion, tandis que dans les formes acquises comme le Kuru, une protéine anormale convertit des protéines de séquence normale.

Compléments

• Le Kuru a été associé au cannibalisme rituel de la tribu Fore en Nouvelle-Guinée, les femmes et les enfants consommant le cerveau de personnes contaminées.

• La barrière d’espèce peut empêcher la transmission d’une maladie à prions entre deux espèces, mais elle n’a pas empêché la transmission de la tremblante du mouton aux bovins par des farines animales contaminées.

💡 Astuce mémo

PrP anormale → conversion de PrPc → accumulation et spongiose cérébrale

📖 13. Structure quaternaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure quaternaire : Résulte de l’association non covalente d’au moins deux chaînes polypeptidiques, identiques ou différentes, par des interactions hydrophobes, ioniques, hydrogène et de Van der Waals.

📝 Points essentiels

• La structure quaternaire peut comprendre notamment:
  • Dimères
  • Hétérodimères
  • Polymères
  • Hétéropolymères

📊 Tableaux de synthèse

Niveaux de structure des protéines

Cristallographie et RMN