Fiche de révision : Structure et étude des protéines

📋 Plan du Cours

1. Organisation générale des protéines
2. Liaison peptidique et conformation
3. Diagramme de Ramachandran
4. Hélices et feuillets bêta
5. Collagène et matrice extracellulaire
6. Repliement et structure tertiaire
7. Dynamique et chaperons moléculaires
8. Prions et maladies structurales
9. Méthodes chromatographiques
10. Électrophorèses et spectrométrie

📖 1. Organisation générale des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine : Enchaînement d’acides aminés reliés par des liaisons covalentes, principalement des liaisons peptidiques.
• Structure primaire : Enchaînement linéaire des acides aminés dans l’ordre de leur incorporation lors de la traduction, déterminé par un gène codant les 20 acides aminés.
• Structure secondaire : Position relative répétitive de deux acides aminés contigus, stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupements NH et C=O de la chaîne principale.
• Structure tertiaire : Repliement tridimensionnel résultant du rapprochement spatial d’acides aminés éloignés dans la structure primaire.
• Structure quaternaire : Association non covalente d’au moins deux chaînes protéiques, identiques ou différentes, par des interactions hydrophobes, ioniques, hydrogène ou de Van der Waals.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire

📖 2. Liaison peptidique et conformation

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison amide formée par condensation entre la fonction carboxylique d’un acide aminé et la fonction amine d’un acide aminé contigu.

★ À maîtriser

• Une chaîne protéique est orientée de l’extrémité amine libre NH3+ vers l’extrémité carboxylique libre COO−.

📌 La résonance de la liaison peptidique impose une liaison partiellement double et plane, tandis que les liaisons Cα−N et Cα−C sont simples et permettent les rotations φ et ψ.

Compléments

• Les distances mesurées sont d(C−N) = 1,32 Å, d(C−N de la liaison peptidique) = 1,49 Å et d(C=N) = 1,29 Å, avec 1 Å = 10^{-10} m.

💡 Astuce mémo

Plan rigide de la liaison peptidique, rotations libres autour de Cα

📖 3. Diagramme de Ramachandran

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de Ramachandran : Représentation des angles ψ en fonction des angles φ de chaque acide aminé d’une protéine.

★ À maîtriser

📌 Les régions interdites du diagramme de Ramachandran résultent de l’encombrement stérique et de la répulsion de charges, notamment entre dipôles oxygénés.

Compléments

• Les régions favorisées du diagramme de Ramachandran correspondent notamment à des structures secondaires stabilisées par des liaisons hydrogène.

💡 Astuce mémo

Un nuage de points φ-ψ où les régions rouges sont interdites et les vertes favorisées

📖 4. Hélices et feuillets bêta

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélice alpha : Pauling — Structure secondaire stabilisée par des liaisons hydrogène intracaténaires entre le NH du résidu n et le C=O du résidu n+4.
• Feuillet bêta : Formé d’au moins deux rubans stabilisés par des liaisons hydrogène inter-rubans et pouvant adopter une organisation parallèle ou antiparallèle.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’hélice α comporte 3,6 résidus par tour, une distance axiale moyenne de 0,15 nm par résidu, 13 atomes par tour et un pas de $p = 0{,}54\ \mathrm{nm}$.

• Les facteurs déstabilisant l’hélice α sont: la proline, les chaînes latérales volumineuses en n et n+4, les chaînes latérales de même charge en n et n+4, la glycine

💡 Astuce mémo

Hélice α : n → n+4 ; hélice 310 : n → n+3 ; hélice π : n → n+5

📖 5. Collagène et matrice extracellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Collagène : Protéine majeure du tissu conjonctif extracellulaire, caractérisée par une grande résistance à la traction et une insolubilité dans l’eau.
• Tropocollagène : Assemblage en triple hélice de trois chaînes peptidiques de collagène.

📝 Points essentiels

• La séquence primaire du collagène est constituée de répétitions de trois résidus $Gly-X-Y$, où X et Y sont souvent la proline, la lysine ou l’hydroxyproline.

• La synthèse du collagène associe trois chaînes intracellulaires en procollagène, élimine les télopeptides par clivage extracellulaire pour former le tropocollagène, puis assemble les molécules par des ponts disulfures en fibres.

💡 Astuce mémo

Gly-X-Y → triple hélice → tropocollagène → fibrille

📖 6. Repliement et structure tertiaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Domaine protéique : Partie d’une molécule dont la fonction peut être individualisée ou qui présente une homologie de séquence avec une autre molécule.

📝 Points essentiels

📌 Le repliement tertiaire est principalement conditionné par l’enfouissement des chaînes latérales hydrophobes au cœur de la protéine et l’exposition des résidus hydrophiles à l’eau.

• Les interactions stabilisant la structure tertiaire sont:

  • les interactions hydrophobes
  • les liaisons hydrogène
  • les forces de Van der Waals
  • les liaisons ioniques
  • les ponts disulfure

• La structure tridimensionnelle conditionne la spécificité fonctionnelle d’une protéine en positionnant correctement les cavités, les sites catalytiques ou les surfaces d’interaction.

💡 Astuce mémo

Interactions hydrophobes → rapprochement des résidus → repliement tertiaire

📖 7. Dynamique et chaperons moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine chaperon : Aide une chaîne protéique à acquérir sa conformation définitive et peut réparer ou éliminer des protéines endommagées.

★ À maîtriser

• La structure secondaire se met en place dès le début de la traduction, puis la protéine acquiert progressivement sa structure tertiaire par repliement et ajustements successifs.

📌 Une protéine peut osciller autour d’une conformation d’équilibre sans modifier ses liaisons covalentes, permettant des états fonctionnels actif/inactif, libre/lié ou ouvert/fermé.

Compléments

• Hsp70 est une protéine chaperon de 70 kDa liée aux ribosomes, qui reconnaît un domaine hydrophobe de la chaîne en cours d’élongation et utilise l’ATP pour modifier sa conformation.

💡 Astuce mémo

Conformation stable ≠ conformation immobile

📖 8. Prions et maladies structurales

★ À maîtriser

• La forme normale PrPc possède trois hélices, tandis que la forme anormale PrPsc contient environ 30 % d’hélice et 45 % de feuillets.

• Une protéine prion anormale peut induire le changement de conformation d’une protéine PrPc adjacente de séquence normale en PrPsc.

Compléments

• Le kuru est une encéphalopathie spongiforme acquise et non génétique de Nouvelle-Guinée, associée à la transmission d’un prion.

• Le syndrome d’Ehlers-Danlos est une maladie génétique du collagène associée à une hyperlaxité ligamentaire, une peau hyperextensible et une mauvaise cicatrisation.

💡 Astuce mémo

PrP normale → changement de conformation → agrégation et encéphalopathie

📖 9. Méthodes chromatographiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Chromatographie d’affinité : Sépare une protéine grâce à sa liaison spécifique à un ligand immobilisé, puis élue la protéine avec une solution saturée en ligand.
• Gel filtration : Sépare les protéines selon leur diamètre apparent grâce à des billes poreuses : les grosses protéines exclues des pores sortent avant les petites protéines ralenties dans le gel.

📝 Points essentiels

📌 Au point isoélectrique pHi, une protéine possède une charge globale nulle et sa solubilité diminue fortement, ce qui peut provoquer sa précipitation.

• En chromatographie par échange d’ions, les protéines chargées se fixent à des billes de charge opposée puis sont éluées lorsque le pH atteint leur pHi.

💡 Astuce mémo

Charge → affinité → diamètre selon la technique de séparation

📖 10. Électrophorèses et spectrométrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Spectrométrie de masse : Sépare des ions en fonction de leur rapport masse sur charge m/z et peut identifier les peptides issus de la digestion par la trypsine.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La mobilité électrophorétique dépend de la charge, du champ et de la masse selon $\mu = \frac{EQ}{a\,PM}$, où E est le champ électrique, Q la charge, a le coefficient de friction et PM le poids moléculaire.

📌 En électrophorèse SDS-PAGE, le SDS confère aux protéines une charge négative proportionnelle à leur taille et le gel ralentit davantage les protéines de grande masse.

• Le traitement par DTT ou β-mercaptoéthanol rompt les ponts disulfure avant la SDS-PAGE et révèle les différentes sous-unités selon leurs masses moléculaires.

• Pour déterminer une séquence protéique, la protéine est isolée, digérée par la trypsine après les résidus basiques, puis les masses des fragments sont comparées à des banques de données.

💡 Astuce mémo

Séparer, révéler, puis identifier par masse et séquence

📊 Tableaux de synthèse

Niveaux de structure protéique