Fiche de révision : Structure et repliement des protéines

📋 Plan du Cours

1. Acides aminés et représentation moléculaire
2. Conformation native et stabilité
3. Liaison peptidique et angles
4. Structures secondaires des protéines
5. Structures tertiaires et domaines
6. Protéines fibreuses spécialisées
7. Protéines globulaires et quaternaires
8. Méthodes de détermination structurale
9. Dénaturation et repliement protéique
10. Protéostase et mauvais repliement

📖 1. Acides aminés et représentation moléculaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Possède généralement un carbone α lié à un groupe amine, un groupe carboxylique, un hydrogène et un groupe variable R, sauf la proline qui ne suit pas cette formule générale.
• Molécule chirale : N’est pas superposable à son image dans un miroir plan et possède deux énantiomères possibles.

★ À maîtriser

• Les acides aminés protéinogènes contiennent au moins deux groupes ionisables et peuvent exister sous des formes cationique, zwitterionique ou anionique selon le pH.

Compléments

• Un indice d’hydropathie inférieur à zéro indique un environnement aqueux, tandis qu’un indice supérieur à zéro indique un environnement hydrophobe.

💡 Astuce mémo

Chiralité : superposable au miroir pour l’achiral, non superposable pour le chiral

📖 2. Conformation native et stabilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Repliement natif : Est la conformation tridimensionnelle fonctionnelle d’une protéine, stabilisée par de nombreuses interactions favorables.

★ À maîtriser

• Les conformations protéiques les plus stables sont celles qui possèdent l’énergie libre de Gibbs la plus faible.

• Les interactions hydrophobes regroupent les portions non polaires, éloignent les groupes hydrophobes de l’eau et libèrent des molécules d’eau ordonnées, ce qui augmente l’entropie.

Compléments

• La différence d’énergie libre entre l’état structuré et l’état déplié d’une protéine est seulement de 20 à 65 kJ/mol.

• Les ponts salins sont plus forts lorsque la constante diélectrique locale est faible, avec environ ε = 80 dans le solvant et ε = 4 dans le cœur hydrophobe.

💡 Astuce mémo

Interactions favorables et coût entropique → conformation native fonctionnelle

📖 3. Liaison peptidique et angles

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Relie deux résidus d’acides aminés et résulte d’une réaction au cours de laquelle des éléments sont perdus par les acides aminés.
• Angles φ et ψ : L’angle φ correspond à la rotation autour de la liaison Cα–azote de l’amide, tandis que l’angle ψ correspond à la rotation autour de la liaison Cα–carbone du carbonyle.
• Diagramme de Ramachandran : Représente la distribution des combinaisons d’angles φ et ψ possibles dans le squelette peptidique en fonction des contraintes stériques.

📝 Points essentiels

• La liaison peptidique est plane et rigide, car la résonance lui confère un caractère partiel de double liaison et favorise la conformation trans.

💡 Astuce mémo

Plan peptidique → rotation autour de Cα → angles φ et ψ → Ramachandran

📖 4. Structures secondaires des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélice α : Est une hélice droite stabilisée par des liaisons hydrogène entre le carbonyle du résidu n et l’amide du résidu n + 4, avec 3,6 résidus par tour et un pas de 5,4 Å.
• Feuillet β : Est formé de brins peptidiques maintenus par des liaisons hydrogène entre groupements amide et carbonyle, les chaînes latérales dépassant alternativement au-dessus et au-dessous du feuillet.

★ À maîtriser

• La proline casse souvent une hélice α parce que la rotation de la liaison N–Cα est impossible, tandis que la glycine la déstabilise par l’absence de chaîne latérale.

Compléments

• Dans un feuillet β antiparallèle, les liaisons hydrogène entre brins sont droites et plus fortes que les liaisons pliées des feuillets parallèles.

• Un tournant β réalise un changement de direction de 180° sur quatre acides aminés et est stabilisé par une liaison hydrogène entre un carbonyle et un amide situé trois résidus plus loin.

💡 Astuce mémo

Hélice α : n→n+4 ; feuillet β : brins parallèles ou opposés

📖 5. Structures tertiaires et domaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure tertiaire : Est l’arrangement spatial global des atomes d’une protéine, stabilisé principalement par des interactions hydrophobes et polaires entre chaînes latérales.
• Domaine protéique : Est une portion de protéine qui peut être indépendamment stable ou se déplacer comme une seule entité par rapport au reste de la protéine, et qui peut avoir une fonction propre.
• Motif structural : Est un arrangement reconnaissable de plusieurs éléments de structure secondaire.
• Protéine intrinsèquement désordonnée : N’adopte pas de structure définie et peut interagir avec plusieurs partenaires protéiques différents.

📖 6. Protéines fibreuses spécialisées

★ À maîtriser

• Dans les protéines fibreuses, les structures secondaires simples sont répétées pour former des structures résistantes, souvent renforcées par des pontages entre hélices ou superhélices.

• Dans la kératine α, deux hélices α droites parallèles s’enroulent en une superhélice gauche et les ponts disulfures renforcent la structure.

• Le collagène est formé de trois chaînes qui s’entrelacent en une superhélice droite, chaque chaîne étant une hélice gauche riche en glycine à 35 % et en proline à 21 %.

Compléments

• La prolyl 4-hydroxylase catalyse l’hydroxylation de la proline en présence d’α-cétoglutarate, d’oxygène et d’ascorbate, ce qui favorise la structure du collagène.

• La fibroïne de la soie adopte une structure en feuillets β antiparallèles, dont l’empilement compact est permis par les petites chaînes latérales de l’alanine et de la glycine.

💡 Astuce mémo

Des hélices, triples hélices ou feuillets empilés forment des fibres résistantes

📖 7. Protéines globulaires et quaternaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure quaternaire : Résulte de l’assemblage de plusieurs polypeptides en une structure plus grande, appelée protéine multimérique.
• Protomère : Est l’unité structurale élémentaire répétée dans une protéine quaternaire.

📝 Points essentiels

• La myoglobine est une petite protéine globulaire de 16 700 Da comprenant 153 acides aminés et un hème, qui fixe et diffuse l’oxygène dans les cellules musculaires.

• L’hémoglobine contient quatre chaînes polypeptidiques, avec deux chaînes α et deux chaînes β.

💡 Astuce mémo

Globulaire : fonction et diversité ; fibreuse : soutien et répétition structurale

📖 8. Méthodes de détermination structurale

★ À maîtriser

• 🔄 La cristallographie aux rayons X suit les étapes suivantes:

  1. purifier la protéine
  2. cristalliser la protéine
  3. collecter les données de diffraction
  4. calculer une carte de densité électronique
  5. construire un modèle atomique

• La RMN nécessite de purifier la protéine, de la mettre en solution, de collecter et assigner les signaux RMN puis de calculer les structures.

• La cryo-microscopie électronique nécessite de purifier la protéine, préparer des grilles vitrifiées, collecter des vidéos dans un microscope électronique à transmission, puis reconstruire une structure 3D.

Compléments

• La Protein Data Bank archive les données expérimentales et les modèles structuraux de plus de 200 000 structures de macromolécules, notamment leurs coordonnées atomiques.

💡 Astuce mémo

Cristalliser, mettre en solution ou vitrifier selon rayons X, RMN ou cryoEM

📖 9. Dénaturation et repliement protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Dénaturation : Est la perte d’intégrité structurale d’une protéine accompagnée d’une perte d’activité.

★ À maîtriser

• Les agents de dénaturation comprennent:

  • la chaleur ou le froid
  • les pH extrêmes
  • les solvants organiques
  • l’urée
  • le chlorure de guanidinium

• La ribonucléase dénaturée par l’urée et le 2-mercaptoéthanol se replie spontanément après retrait de ces agents, et ses huit cystéines reforment les quatre bons ponts disulfures. — Christian B. Anfinsen, 1972

Compléments

• Le paradoxe de Levinthal montre qu’un repliement aléatoire serait beaucoup trop lent : une protéine de 100 résidus ayant 10 conformations par résidu aurait 10^100 conformations possibles et nécessiterait 10^77 ans pour toutes les explorer à raison de 10^-13 seconde par repliement.

💡 Astuce mémo

Dénaturation → perte de structure → perte d’activité

📖 10. Protéostase et mauvais repliement

🔑 Notions clés & Définitions

• Amyloïdose : Est une pathologie associée au mauvais repliement d’une protéine soluble, qui forme alors des fibres amyloïdes insolubles constituées de feuillets β perpendiculaires à l’axe de la fibre.

★ À maîtriser

• Le repliement protéique commence par l’apparition rapide de structures secondaires, suivie d’interactions électrostatiques locales, d’interactions à longue distance et d’un regroupement hydrophobe stabilisateur.

• Les chaperonnes empêchent le mauvais repliement et l’agrégation des peptides non structurés, tandis que les chaperonines facilitent leur repliement.

Compléments

• Après clivage protéolytique, le peptide β-amyloïde abandonne sa structure native en hélice α, adopte des brins β, puis s’assemble en fibrilles ou plaques amyloïdes.

💡 Astuce mémo

Mauvais repliement → agrégation amyloïde → pathologies

📊 Tableaux de synthèse

Méthodes de détermination structurale