Fiche de révision : Structure et fonctions des protéines

📋 Plan du Cours

1. Carbone et origine des biomolécules
2. Acides aminés et propriétés
3. Peptides et liaison peptidique
4. Protéines et organisation structurale
5. Niveaux de structure protéique
6. Classification structurale des protéines
7. Fonctions et pathologies protéiques
8. Symptômes et plaques d’Alzheimer

📅 Repères chronologiques

1. 1928Alexander Fleming découvre la pénicilline.
2. 1943Florey et Chain réalisent les premières utilisations thérapeutiques de la pénicilline.
3. 1945Fleming, Florey et Chain reçoivent le prix Nobel de physiologie-médecine pour la découverte de la pénicilline et ses effets curatifs contre de nombreuses maladies infectieuses.
4. 1954L’expérience de Urey et Miller porte sur la formation de molécules pouvant être à l’origine de la vie.
5. 1969La météorite de Murchison s’écrase en Australie et contient plus de 70 acides aminés différents.

📖 1. Carbone et origine des biomolécules

★ À maîtriser

• Le carbone est abondant, peut former jusqu’à quatre liaisons, se lier à de nombreux éléments et s’associer à lui-même sous des formes variées comme le diamant, le graphite, le graphène, les nanotubes et les fullerènes.

Compléments

• La fixation du carbone transforme le CO₂, un gaz relativement stable, en composés organiques grâce à un apport d’énergie.

• Parmi les hypothèses évoquées sur l’origine des premières molécules figurent : une formation au fond des océans, près de sources thermales, une catalyse de polymérisation par des argiles, la panspermie

📖 2. Acides aminés et propriétés

★ À maîtriser

• Les protéines sont des combinaisons d’acides aminés et comptent parmi les molécules les plus variées et complexes du vivant.

• Il existe 20 acides aminés fondamentaux ; les plantes et les bactéries peuvent tous les synthétiser, tandis que les mammifères n’en synthétisent qu’une partie.

• Parmi les 20 acides aminés fondamentaux, 9 sont essentiels et ne sont pas fabriqués par le corps, tandis que 11 sont non essentiels et sont synthétisés par le corps.

• Les chaînes latérales R des acides aminés sont classées en :

  • groupes polaires non chargés
  • groupes non polaires
  • groupes chargés positivement
  • groupes chargés négativement

• Les résidus d’acides aminés des protéines sont quasi exclusivement des stéréoisomères L, alors que des résidus D sont présents dans quelques petits peptides bactériens et certains antibiotiques peptidiques.

Compléments

• Les êtres vivants synthétisent approximativement 100 000 protéines différentes et celles-ci représentent environ 40 % de leur poids sec.

• L’histidine est essentielle à tout âge et nécessite un apport exogène ; l’arginine est conditionnellement essentielle, notamment chez les nourrissons, qui en reçoivent via le lait maternel.

• Le tryptophane, la tyrosine et la phénylalanine absorbent la lumière ultraviolette, et la majorité des protéines présente une absorbance caractéristique à 280 nm.

• La solubilité des acides aminés varie selon la composition du radical R, et les acides aminés à longue chaîne carbonée sont peu solubles dans l’eau.

💡 Astuce mémo

Les enzymes reconnaissent surtout les acides aminés L, contrairement aux formes D.

📖 3. Peptides et liaison peptidique

★ À maîtriser

• La liaison peptidique est plane, rigide en raison d’une double liaison partielle, polaire, capable de former des liaisons hydrogène et résistante à l’hydrolyse, avec une demi-vie de 7 ans à pH physiologique.

Compléments

📌 La nomenclature d’un peptide commence par l’extrémité N-terminale, située à gauche dans la représentation usuelle.

📌 Dans un peptide, la chaîne comprenant les liaisons amide est la chaîne principale, tandis que les substituants R forment les chaînes latérales.

• Les peptidases catabolisent les peptides en acides aminés, et la liaison peptidique peut aussi être hydrolysée en présence de HCl.

• Les peptides peuvent exercer des activités :

  • antioxydantes
  • hormonales
  • de facteurs de croissance
  • antibiotiques ou antimicrobiennes

• Le glutathion est un pseudo-tripeptide produit dans le foie et présenté comme une piste d’espoir pour la maladie de Parkinson.

• Les exemples de peptides hormonaux cités sont : la calcitonine, qui compte 32 acides aminés, l’insuline, peptide double de 51 acides aminés, l’ocytocine

• Les peptides antibiotiques sont produits par des micro-organismes et suppriment la croissance d’autres micro-organismes ou les détruisent ; les exemples cités sont les gramicidines, tyrocidines, polymyxines et bacitracines. Les pénicillines sont des antibiotiques bêta-lactamines, et non des peptides antibiotiques.

📖 4. Protéines et organisation structurale

★ À maîtriser

• Les protéines présentent quatre niveaux d’organisation, par complexité croissante :

  • primaire
  • secondaire
  • tertiaire
  • quaternaire

• La séquence primaire d’une protéine définit sa structure tridimensionnelle, et la structure tridimensionnelle définit sa fonction.

• Le repliement des protéines fait intervenir :

  • des liaisons hydrogène
  • des interactions ioniques
  • des interactions hydrophobes
  • des liaisons covalentes

• Un pont disulfure est une liaison covalente entre les atomes de soufre des groupes thiol de deux cystéines.

• Les interactions hydrogène, hydrophobes, covalentes et ioniques modulent la structure globale de la protéine.

Compléments

• La titine est présentée comme la plus grande protéine connue chez l’être humain ; elle compte 30 000 acides aminés et a une masse moléculaire de 3 000 kDa.

• Les interactions hydrophobes ne sont pas des liaisons ; elles sont environ 20 fois plus faibles qu’une liaison covalente.

• Dans le schéma des interactions de la structure tertiaire, l’interaction ionique correspond au repère 1, les interactions hydrogène aux repères 2 et 7, les interactions hydrophobes aux repères 3, 4 et 6, et l’interaction covalente au repère 5.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire : complexité croissante.

📖 5. Niveaux de structure protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : La séquence des acides aminés d’une protéine.
• Structure secondaire : Le repliement local de la chaîne d’acides aminés, stabilisé par des liaisons hydrogène.
• Structure tertiaire : Le repliement tridimensionnel d’une chaîne polypeptidique, correspondant à l’arrangement spatial de ses structures secondaires et lié à sa fonction.
• Structure quaternaire : L’assemblage de plusieurs chaînes polypeptidiques, chacune ayant une structure tertiaire définie.
• Chaperons moléculaires : Des protéines qui assistent le repliement tridimensionnel d’autres protéines en empêchant la formation d’agrégats intra- et intermoléculaires.

📝 Points essentiels

• La séquence primaire peut s’écrire avec le code à une lettre ou le code à trois lettres des acides aminés.

• Les structures secondaires comprennent :

  • les hélices
  • les feuillets
  • les coudes

• Une hélice alpha comporte 3,6 résidus par tour et ses liaisons hydrogène sont parallèles à son axe.

📌 Dans un feuillet bêta antiparallèle, les brins sont orientés en directions opposées, tandis que dans un feuillet parallèle, ils sont orientés dans la même direction.

📌 La perte de la structure tertiaire sous l’action d’agents dénaturants entraîne la perte de fonction de la protéine.

• Dans une structure quaternaire, chaque chaîne est appelée monomère, sous-unité ou protomère, et l’ensemble est appelé oligomère ou protéine multimérique.

• Les sous-unités d’une structure quaternaire sont liées par des interactions non covalentes et parfois par des ponts disulfure.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire : de la séquence à l’assemblage.

📖 6. Classification structurale des protéines

★ À maîtriser

📌 Les protéines fibreuses sont généralement insolubles dans l’eau et mécaniquement très solides, tandis que les protéines globulaires sont généralement solubles et flexibles.

• Le collagène est la protéine fibreuse la plus abondante de l’organisme, représente environ 25 % des protéines totales, constitue un élément majeur de la peau et de l’os, et confère une résistance aux tissus.

Compléments

• Les protéines fibreuses peuvent représenter plus d’un tiers des protéines des vertébrés et servent notamment de matériel structural de protection, de connexion ou de soutien dans la peau, les tendons et les os.

• L’alpha-kératine des cheveux, poils, ongles et de la couche superficielle de l’épiderme est formée de deux hélices alpha associées en torsade par des interactions hydrophobes et des ponts disulfure.

• La soie est une protéine fibreuse dont la fibroïne est stockée sous forme soluble dans les glandes du ver à soie puis convertie en structure fibrillaire insoluble, composée de chaînes bêta antiparallèles en feuillets et portant la séquence répétée (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n.

• La molécule de collagène forme une triple hélice dont les résidus de glycine se trouvent au centre.

• Les protéines globulaires ont une apparence sphéroïde, sont solubles, sont généralement flexibles et présentent des fonctions biologiques plus variées que les protéines fibreuses.

• Les protéines globulaires comprennent notamment :

  • les enzymes
  • les protéines de transport
  • les récepteurs

💡 Astuce mémo

Fibreuse : solide et insoluble ; globulaire : soluble et flexible.

📖 7. Fonctions et pathologies protéiques

★ À maîtriser

• Les protéines assurent les fonctions :
  • structurale
  • motrice
  • de transport
  • de stockage
  • de protection
  • métabolique
  • de transmission des signaux

Compléments

• Le collagène assure une fonction structurale dans les os, les tendons et le cartilage, tandis que la kératine se trouve notamment dans les cheveux, la peau et les ongles.

• La myosine et l’actine sont des protéines impliquées dans le mouvement.

• L’hémoglobine transporte l’oxygène et les apolipoprotéines transportent les lipides.

• La caséine et l’albumine sont des protéines de stockage, les immunoglobulines participent à la protection, les enzymes au métabolisme et les récepteurs à la transmission des signaux.

• L’ostéogenèse imparfaite est associée à une mutation du collagène, notamment Gly remplacée par Ala, et se manifeste par des os fragiles et des fractures.

• La phénylcétonurie est associée à un manque de phénylalanine hydroxylase, à la non-dégradation de la phénylalanine, à des lésions cérébrales et à un retard intellectuel.

• La mucoviscidose est associée à des mutations d’une protéine canal transmembranaire, à une insuffisance respiratoire et à des infections pulmonaires.

📖 8. Symptômes et plaques d’Alzheimer

🔑 Notions clés & Définitions

• Amnésie : Une perte de la mémoire.
• Agnosie : Une perte de la reconnaissance visuelle des objets.
• Aphasie : Une perte du vocabulaire et une difficulté à construire des phrases.
• Apraxie : Une diminution de la coordination motrice.

📝 Points essentiels

• La détection des plaques séniles associées à l’agrégation de Aβ est abordée par histochimie, notamment par coloration aux sels d’argent et par hématoxyline-éosine.

📊 Tableaux de synthèse

Protéines fibreuses et globulaires