Fiche de révision : Structure et fonctions des protéines

📋 Plan du Cours

1. Structure et classification des acides aminés
2. Ionisation et propriétés des acides aminés
3. Liaison peptidique et polypeptides
4. Diversité et structure primaire des protéines
5. Structure secondaire des protéines
6. Structures tertiaires des protéines
7. Structure quaternaire et composition
8. Protéines et membranes

📖 1. Structure et classification des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Possède un carbone α lié à un groupement α-COOH, un groupement α-NH2, un hydrogène et une chaîne latérale R.

★ À maîtriser

• Les protéines contiennent 20 acides aminés standards, qui se distinguent par leurs chaînes latérales R.

Compléments

• La nature de R permet de classer les acides aminés selon leur caractère aliphatique ou cyclique, apolaire ou polaire, neutre ou ionisable, ainsi que selon la présence de groupes hydroxylés, soufrés ou amides.

• La glycine, l’alanine, la valine, la leucine, l’isoleucine, la phénylalanine et le tryptophane sont indiqués comme non polaires; la proline est aliphatique, cyclique et non polaire.

• La sérine et la thréonine sont aliphatique, hydroxylées et polaires neutres; la tyrosine est aromatique et hydroxylée, non polaire dans le tableau, et ionisable à pH très basique.

• L’asparagine et la glutamine sont polaires neutres, tandis que l’acide aspartique, l’acide glutamique, la lysine, l’histidine et l’arginine sont indiqués comme polaires chargés.

• La cystéine est aliphatique, soufrée et peu polaire, tandis que la méthionine est aliphatique, soufrée et non polaire.

📖 2. Ionisation et propriétés des acides aminés

★ À maîtriser

• Tous les acides aminés sont amphotères, car ils possèdent une fonction acide et une fonction basique et peuvent donc être positifs, neutres ou négatifs selon les conditions.

📌 Pour un groupement ionisable, la forme majoritaire dépend du pH du milieu.

• Chaque acide aminé possède au moins deux pK, pKaCOOH et pKaNH2, et un troisième pKR si sa chaîne latérale porte un groupement ionisable.

Compléments

📐 Formule - La réaction d’ionisation s’écrit $AH \rightleftharpoons A^- + H^+$ et sa constante d’équilibre est $K_a = \frac{[A^-][H^+]}{[AH]}$.

📐 Formule - Le pKa est défini par $pK_a = -\log K_a$.

📐 Formule - Pour un acide aminé sans autre groupement ionisable, le point isoélectrique vérifie $pHi = \frac{pKaCOOH + pKaNH2}{2}$.

• Pour les acides aminés communs, $1{,}8<pKaCOOH<2{,}6$ et $8{,}8<pKaNH2<10{,}8$.

📐 Formule - L’absorbance vérifie $A=\log_{10}(I_0/I)=\varepsilon c l$, où ε est le coefficient d’extinction molaire, c la concentration et l la longueur du trajet optique.

💡 Astuce mémo

Le pH détermine la forme ionisée majoritaire.

📖 3. Liaison peptidique et polypeptides

★ À maîtriser

• Une liaison peptidique se forme entre le groupement α-COOH d’un acide aminé et le groupement α-NH2 d’un autre acide aminé; cette liaison est une liaison amide.

• Une chaîne polypeptidique possède une extrémité α-NH2 libre et une extrémité α-COOH libre, ce qui lui donne une orientation du premier au dernier acide aminé.

📌 La liaison peptidique C–N a un caractère partiel de double liaison, tandis que les liaisons N–Cα et Cα–C sont simples et peuvent tourner.

Compléments

• Deux acides aminés forment un dipeptide et trois acides aminés forment un tripeptide; les chaînes de 2 à 100 résidus sont des oligopeptides et celles de plus de 100 résidus sont des protéines.

• La délocalisation électronique dans la liaison peptidique empêche la rotation autour de C–N et rend cette liaison plus longue qu’une double liaison, mais plus courte qu’une simple liaison.

• Les six atomes Cα, C, O, N, H et Cα d’une liaison peptidique sont coplanaires, et l’oxygène porté par C et l’hydrogène porté par N sont en position trans.

• La séquence Tyrosyl-Glycyl-Glycyl-Phénylalanyl-Leucine s’abrège Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu ou YGGFL; son orientation est différente de celle de LFGGY.

• Les peptides et les protéines sont des polyampholytes et possèdent un pHi qui leur est propre; l’état d’ionisation des chaînes latérales ionisables dépend du pH.

💡 Astuce mémo

Une chaîne de plans rigides reliés par des pivots simples.

📖 4. Diversité et structure primaire des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : L’enchaînement linéaire des acides aminés d’une chaîne polypeptidique, c’est-à-dire l’ordre dans lequel ils sont liés par des liaisons peptidiques.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Avec 20 acides aminés communs, le nombre de séquences possibles pour un peptide de trois acides aminés est $20^3=8000$.

• La structure primaire conditionne les autres niveaux de structure, et la structure et la fonction des protéines sont étroitement liées.

📖 5. Structure secondaire des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure secondaire : Le repliement régulier de la chaîne polypeptidique, correspondant à un arrangement local de son squelette.

★ À maîtriser

• Les deux structures secondaires présentées sont l’hélice et le feuillet plissé; les liaisons hydrogène peuvent se former entre des acides aminés proches ou entre des portions éloignées de la chaîne.

• Dans une hélice α, chaque tour comprend 3,6 résidus et mesure 5,4 Å, soit 0,54 nm.

• Dans une hélice α, tous les oxygènes et hydrogènes peptidiques participent à des liaisons hydrogène parallèles à l’axe de l’hélice.

• La structure primaire, par la nature des acides aminés, influence la formation de l’hélice α : Ala et Leu la favorisent, tandis que Gly la défavorise. Les résidus chargés comme Asp, Glu, Arg et Lys ne la défavorisent pas systématiquement ; leur effet dépend notamment de leur position et de leurs interactions.

📌 Dans un feuillet β antiparallèle, les deux portions de chaîne courent en sens opposés, tandis que dans un feuillet β parallèle, elles courent dans le même sens ; la forme antiparallèle est la plus stable.

Compléments

• Les contraintes de la liaison peptidique limitent les angles de torsion φ et ψ et restreignent les conformations possibles, ce qui rend nécessaire la stabilisation de la structure.

• L’hélice α est présentée comme la structure secondaire la plus classique et la plus stable, et sa formation est spontanée.

• Dans une hélice α, les chaînes latérales sont dirigées vers l’extérieur et il n’y a pas de vide dans l’hélice.

• La proline constitue un point de rupture dans les structures secondaires hélicoïdales ou en feuillet β.

• Le feuillet β présente un plissement régulier où l’angle entre les plans reste le même.

• Une protéine peut comporter des hélices α, des coudes et des portions en pelote statistique ; cette pelote n’est pas un repliement au hasard.

💡 Astuce mémo

Antiparallèle plus stable que parallèle

📖 6. Structures tertiaires des protéines

★ À maîtriser

📌 Les protéines fibreuses sont des agrégats ordonnés de molécules élémentaires dont la quasi-totalité de la chaîne adopte une même structure secondaire ; elles sont rigides, insolubles et dotées de propriétés mécaniques.

• L’organisation de la kératine α en filaments intermédiaires suit une succession d’assemblages.

• Le collagène, présent dans les matrices extracellulaires, contribue à la résistance mécanique à l’étirement ; son hélice gauche compte 3,3 résidus d’acide aminé par tour et présente la répétition Gly-X-Y, souvent avec Pro et Hyp en X ou Y.

• La fibroïne de la soie est constituée d’empilements de feuillets β antiparallèles et contient 80 % de Gly, Ala et Ser.

• Dans les protéines globulaires, les structures secondaires s’associent en motifs, les motifs s’organisent en domaines et les domaines s’assemblent pour former la structure tertiaire.

• Les interactions de la structure tertiaire s’établissent entre chaînes latérales et comprennent tous les types d’interactions faibles ainsi que les ponts disulfure.

📌 Dans une protéine hydrosoluble, les chaînes latérales hydrophobes se trouvent à l’intérieur et les chaînes hydrophiles à la surface ; dans une protéine incluse dans une phase lipidique, les hydrophobes sont exposées vers l’extérieur et les hydrophiles orientées vers l’intérieur.

• La structure tertiaire détermine la forme de la protéine et est étroitement liée à sa fonction biologique.

• Dans la chymotrypsine, les résidus Ser195, His57 et Asp102, éloignés dans la structure primaire, se rapprochent dans la structure tertiaire pour former la triade catalytique d’une sérine protéase.

Compléments

• La kératine α se trouve notamment dans les ongles, les cheveux et les plumes, et participe aussi aux filaments intermédiaires du cytosquelette.

• La kératine α comporte un résidu apolaire tous les 3 à 4 résidus et des ponts disulfure.

• Le collagène ne contient pas de cystéine, ce qui le rend moins rigide.

• Dans la fibroïne, la Gly occupe un espacement de 0,35 nm, tandis que l’Ala ou la Ser occupe un espacement de 0,57 nm.

• Les domaines protéiques se forment indépendamment les uns des autres et peuvent être reliés, dans la structure finale, par des zones désordonnées.

• La structure tertiaire dépend de la structure primaire et les charges des chaînes latérales influencent la structure et l’activité, qui sont sensibles à l’environnement, notamment au pH.

• La chymotrypsine est une protéase sécrétée par le pancréas qui dégrade les protéines dans l’intestin et comporte 241 acides aminés.

💡 Astuce mémo

Hydrophobes enfouis → hydrophiles exposés dans les protéines hydrosolubles

📖 7. Structure quaternaire et composition

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure quaternaire : Résulte de l’association spécifique de plusieurs chaînes polypeptidiques.

★ À maîtriser

• L’hémoglobine est constituée de quatre sous-unités : deux sous-unités α et deux sous-unités β.

📌 Une holoprotéine est composée uniquement d’acides aminés, tandis qu’une hétéroprotéine comporte un groupement non protéique ; l’apoprotéine est la partie protéique d’une hétéroprotéine, dépourvue de ce groupement.

Compléments

• Une sous-unité, un monomère et un protomère désignent une chaîne polypeptidique participant à un oligomère.

• Un oligomère comporte généralement de 2 à 12 sous-unités, mais peut en compter davantage.

• Les structures quaternaires présentent une symétrie stricte avec un ou plusieurs axes de symétrie.

• L’activité biologique de certaines protéines n’existe qu’au niveau de l’oligomère, dont l’association ou la dissociation peut participer à la signalisation et à la régulation.

📖 8. Protéines et membranes

★ À maîtriser

• Les protéines membranaires se répartissent selon leur association à la membrane : Les protéines intrinsèques, ou intégrales, traversent la bicouche lipidique., Les protéines ancrées sont liées de façon covalente à un composant membranaire., Les protéines extrinsèques, ou périphériques, sont associées de façon non covalente à une protéine intégrale ou

• Les protéines membranaires se répartissent en six groupes fonctionnels : canaux et transporteurs, enzymes, récepteurs de surface, marqueurs de surface, protéines d’adhérence et protéines de fixation au cytosquelette.

Compléments

• Le caractère plus ou moins hydrophobe des acides aminés peut être utilisé pour établir un profil d’hydrophobicité à partir de la structure primaire.

• Le profil d’hydrophobicité de la structure primaire permet de prédire les hélices α transmembranaires, y compris des protéines à une ou sept hélices transmembranaires.

• De nombreuses protéines membranaires sont glycosylées et constituent des glycoprotéines, donc des hétéroprotéines.