La structure des protéines I

Pr Eric Chabriereeric.chabriere@afmb.univ-mrs-.fr

Les protéines peuvent avoir plusieurs fonctions

-Catalytique (enzyme)-Reconnaissance moléculaire (anticorps)-Transport (hémoglobine)-Structurale (collagène)

En raison de leur implication dans le vivant, leur étude est importante en médecine (médicament: un enantiomere peut être un medicament alors que l’autre peut être toxique).

Par leurs activités: reconnaissance moléculaire, enzyme, nanotechnologie … Elles ont de très nombreux intérêt en biotechnologie.

De plus par leurs structures, elles livrent des informations cruciales sur l'évolution du monde vivant (relation bruité au niveau de la séquence) et sur les mécanismes du vivant

L'étude des protéines est à la fois utile en recherche appliquée et en recherche fondamentale

La structure des protéines se décompose en 4 parties

•La structure primaire.La structure primaire est la séquence en acide aminé.Elle est codée par le génome.•La structure secondaireLa chaine polypeptidique adopte des repliements préférentiels. Hélice ou feuillet. 80% de precision•La structure tertiaireLa chaine polypeptidique se replie en domaines plus ou moins globulaires. Prediction facile si un modèle existe déjà (similarité de sequence).La bioinformatique n’est pas suffisante, l’etude de la structure est essentielle•La structure quaternairePlusieurs chaines polypeptidiques (différentes ou non) s'associent.Oligomères, homo-oligomère. Formation de complexes.

Parfois, il faut aussi l'ajout d'autres groupes prosthétiques. (Cofacteurs, métaux,…).

Pour garder l'intégrité de la fonction, il faut que le repliement soit correct donc que la structure soit conservée.

La structure primaire

La chaîne peptidique:

Une protéine est un hétéro-polymère linéaire d’acides aminés. Cette chaine est codée par le génome

Séquence du gène

Séquence de la protéine en acide aminé (chaîne peptidique)

La plupart des séquences des protéines sont connues (génomique systématique)

NH2

H

COOH

R

C

Formule général d’un L-acide aminé:

R = Chaîne latérale, dépend de l'acide aminé

L'atome C est chiral (sauf la glycine)

Groupe amine: NH3+

Groupe carboxylique : COO-

Dans la nature on rencontre les acides aminés L.(ceci explique la stéreoselectivité)

COO-

HNH3+

R

COO-

HNH3+

R

C

Représentation de Fischer d'un L acide aminé (N à gauche)

Dans la chimie on utilise généralement la nomenclature R/S (Cahn-Ingold-Prelog) :

Ordre de priorité en fonction du numéro atomique dans le système périodique des éléments :NH2 > CS>COOH > CH3 > H

Il n'y pas de relation entre les 2 nomenclature (Ex L (S) serine et L (R) cystéine)

La liaison peptidique

Formation de la liaison peptidique :

La réaction est une condensation

La condensation des acides aminés (groupe carboxylique et amine) forme un polymère.Ce polymère commence par un groupe ammonium et se termine par un groupe carboxylique

La liaison peptidique peut être décrite par deux formes isomères de résonance. Elle a donc un caractère de double liaison partielle et elle a une géométrie plane.

La géométrie de la liaison peptidique :

Plan peptidique

Chaque plan contient les atomesC=0 du résidu n et les atome N,H, Ca du résidu n+1

Les angles et dans la chaîne peptidique

Dans l'enchainement des plans peptidiques, il y a 2 degrés de liberté.-L'angle de rotation autour de la liaison C-C déterminé par -l'angle de rotation autour de la liaison C-N déterminé par

La structure du squelette de la protéine (C) est déterminé par ses 2 angles pour chaque acide aminé

Deux configurations sont possibles : cis et trans (sauf glycine).Trans est plus favorable sur le plan énergétique, car moins de contact stérique. Mais 10 % des prolines dans les protéines sont en configuration cis. Des serines et d’autres aa dans des sites de caractère dynamique se trouvent parfois dans la configuration cis pour “précharger” l’enzyme avec de l’énergie pour la catalyse.

Configuration cis et trans

On peut discriminer la conformation cis et trans en regardant l'angle de rotation autour de la liaison C-N Cette angle doit être proche de 180° ou de 0° (plan peptidique)

=180°=0°

NH

O

CC

C+

-

Néanmoins, la liaison peptidique a un moment dipolaire de 3.5 Debye. Ce qui est important pour stabiliser la structure d'une protéine et de pouvoir fixer/discriminer certains substrats

La chaîne peptidique n’est pas très réactive, c’est le groupe carboxylique ou le Nterm qui interviennent dans la reaction. Au pH ou elle pourrait être protonée ou déprotonée, elle est généralement hydrolysée.La durée de vie d’une liaison peptidique est ~7 ans dans l’eau(pH neutre, 25°C ).

Les 20 acides aminés

Dans certaines protéines on trouve aussi d’autres acides aminés, dont certains générés post-traductionellement.

Chaque acide aminé a ses propres propriétés-stérique (forme)-chimique (différent type d'atome)-électrostatique -pKa-accepteur/donneur de liaison H-polaire/hydrophobe

La combinaison de ce jeux à 20 lettres permet d'obtenir la diversité et la subtilité des fonctions des protéines.

Acide aminés aliphatiques

Glycine (Gly, G) : aa passe partout

C'est le seul acide aminé non chiralC’est l’acide aminé le moins encombrant.Acide aminé avec la plus grande flexibilité conformationelle. (aucune restriction dans ou )Très important dans les boucles. Par conséquent, il est très conservé lors de l'évolution.

Déprotonation peu probable.

Ni polaire, ni hydrophobe

Alanine (Ala, A)

Possède un groupe méthylePas réactif.Petit acide aminé hydrophobeSitué dans le cœur hydrophobe des protéineOu au niveau d'interface hydrophobe

Valine (Val,V)

Possède un groupe isopropyle (chaine aliphatique)Pas réactif.acide aminé hydrophobeSitué dans le cœur hydrophobe des protéineOu au niveau d'interface hydrophobe

Leucine (Leu, L)

Possède un groupe isobutyle (chaine aliphatique)Même masse moléculaire que isoleucinePas réactif.acide aminé hydrophobeSitué dans le cœur hydrophobe des protéineOu au niveau d'interface hydrophobe

Isoleucine (Ile, I)

Possède un groupe butyle (chaine aliphatique)Même masse moléculaire que leucinePas réactif.acide aminé hydrophobeSitué dans le cœur hydrophobe des protéineOu au niveau d'interface hydrophobe

Acides aminés aromatiques

Phénylalanine (Phe, F)

Possède un groupe phényle (aromatique)Pas réactif.acide aminé hydrophobe volumineuxSitué dans le cœur hydrophobe des protéineOu au niveau d'interface hydrophobe.Capable de faire des stacking grâce aux liaison Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (260 nm), faible

Tyrosine (Tyr, Y)

Possède un groupe phénol (aromatique)Peut faire des liaisons hydrogène grâce à son groupe alcool, accepte aussi des H. moins hydrophobe que la phénylalanine (intérieur ou extérieur des protéine)Peut se déprotoner (pKa=11.1, mauvais acide)Tyr peut être phosphorylée/acyclée (régulation)Capable de faire des stacking grâce aux liaisons Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (280 nm), faible

Tryptophane (Trp, W): ne se deprotonne pas

Possède un groupe indole (aromatique)A cause de la délocalisation du doublet, l'azote ne peut plus accepter de proton (base)Peut faire des liaisons hydrogène grâce à l'azote du groupe indoleNéanmoins, c'est un résidu hydrophobe Se trouve principalement à l'intérieur des protéinesCapable de faire des stacking grâce aux liaisons Le noyau aromatique est responsable de l' absorption UV (280 nm), majoritaireRésidu fluorescentCette fluorescence dépend du milieu: très utile pour suivre le repliement ou les changements de conformations des protéines, ou mesurer le Kd d’un substrat

acides aminés carboxyliques et leurs amides

Aspartique (Asp,D)

Possède un groupe acide carboxylique.Résidu acide pKa =3.9 (C'est le plus acide des acides aminés)Peut faire des liaisons ioniques et hydrogène (accepteur et donneur)SolubleSouvent impliqués dans la fixation des métaux durs (Ca2+, Mg2+, Mn2+). résidu catalytique dans des hydrolases, protéases …Residu chargé negativement activé pour les attaques nucléophiles. C’est un residu tres court donc pas de conformation, tres peu de desordre donc l’orientation est plus facile, la fixation du substrat entraine une diminution de l’entropie ce qui facilite la reaction!

Asparagine (Asn, N)

Possède un groupe amide.Résidu non protonable car le doublet de l'azote est délocaliséPeut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur)SolublePeut fixer des ions et metal sans apport de charge positive supplémentaire.Site de N-glycosylationpeut se désamider à pH basique ou température élevée, ce qui fragilise l’aa, les organismes qui vivent en milieu extremes ont beaucoup moins d’Asparagine.

Glutamique (Glu, E)

Possède un groupe carboxylique.Résidu acide pKa =4.3Peut faire des liaisons ioniques et hydrogène (accepteur et donneur)SolubleSouvent impliqués dans la fixation des métaux durs (Ca2+, Mg2+, Mn2+). résidu catalytique dans des hydrolases, protéases …Comme l’acide aspartique sauf qu’il est moins present car plus gros.

Glutamine (Gln, Q)

Possède un groupe amide.Résidu non protonable car le doublet de l'azote est délocaliséPeut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur)SolublePeut fixer des ionspeut se désamider à pH basique et/ou température élevée

Les acides aminés basiques

Lysine (Lys, K)

Longue chaine aliphatique terminée par une aminepKa=10.5. (chargé positivement à pH physiologique)Liaisons ioniques avec Cl- et hydrogène (donneur)Résidu soluble(grde charge) bien que la chaine aliphatique soit hydrophobe (attention à la conformation, elle donne des info supplementaire sur la fonction!!)Nombreuses modifications postraductionnelle possibes(hydroxylation, glycosylation, acétylation, metylation,…)Rôle de base dans les catalyses

Arginine (Arg, R)

Longue chaine aliphatique terminé par un groupe guanidiniumC'est le plus long des acides aminéspKa=12.5. la charge est stabilisé par la résonance des 3 azotesCette résonance entraine la planarité du groupe guanidiniumchargé positivement à pH physiologiqueLiaisons ioniques et hydrogène (donneur)Résidu soluble bien que la chaine aliphatique soit hydrophobe (attention à la conformation)Peut fixer des anions (Cl-), peut faire des interaction (stacking)Rôle de base dans les catalyse (moins efficace que la lysine)

Histidine (His, H)

NNH NHN

Position préférentielle (pKa)

Groupe imidazole. SolublepKa= 6.5 (existe facilement sous la forme ionisée on non à pH physiologique).c’est Quasiment un acide à pH neutre, la symetrie entre les 2N est cassée par la chaine Laterale. N a différents mesomeres qui font intervenir des charges dans le cycle Imidazole.c’est le NH le plus proche de la chaine laterale qui est protoné. Peut donner et accepter des liaisons hydrogènesRésidu très important dans les mécanismes catalytiquesRencontré dans les triades catalytiques (accepte le proton d'une serine)Coordonne efficacement les métaux, (ex colonne à Ni)

acides aminés à fonction alcool

Serine (Ser, S)

Possède un groupe hydroxylePeut faire des liaisons hydrogène (accepteur sur O et donneur sur H)Solublesites de glycosylation chez les eucaryotes (O-glycosylation)Peut être phosphoriléeNon ionisable sans assistance (pKa=13)résidus catalytiques (triade catalytique)Impliqué dans de nombreuses protéases (chymotrypsine, trypsine) et estérase (acétylcholinestérase)

Possède un groupe hydroxyle et un groupe méthyle (ressemble à la valine)Peut faire des liaisons hydrogène (accepteur et donneur)Solublesites de glycosylation chez les eucaryotes (O-glycosylation)Peut être phosphoriléNon ionisable sans assistance (pKa=13)AA dual: un coté hydrophobe et un polaire semblable aux detergents!

Threonine (Thr, T)

acides aminés soufrés

Cystéine (Cys, C)

Possède un groupe thiolPeut faire des liaisons hydrogène (donneur et accepteur )SolubleFacilement ionisable (pKa=8.3) proche du pH physio comme HisRésidu très important dans les mécanismes catalytiquesFixe facilement les métaux Fe, Zn, Cu… (Hg)Résidus fragile qui s'oxyde facilement en milieu aérobie (acide sulfenique R-S-OH, sulfinique OH+ O2 et sulfonique OH+ 2O2).le sélénium peut remplacer le soufre. C'est autre acide aminé, la sélénocystéine.

L'oxydation de 2 cystéines proches dans l’espace forme un pont disulfure (liaison covalente).Le pont disulfure est hydrophobeNe se forme pas dans un milieu réducteur (cytosol)Peut être catalysé par la protéine disulfide isomérasePeut servir à se protéger contre un stress oxydatif, de capteur de d'oxydation.La possibilité de faire une liaison covalente inter ou intra moléculaire augmente la stabilité de la molécule(protéine sécrétées, toxine)

Méthionine (Met, M)

Possède un groupe thioesterLong acide aminé hydrophobeRésidu fragile sensible à l'oxydation par l'air, jamais rencontré dans les catalyses car Encombrant. formation de sulfoxyde et ensuite de sulfone:

S S

O

S

O

O

Acide Aminé cyclique

Proline (Pro,P): α-iminé

Possède un groupe Imine cyclique (et non une amine secondaire)L'azote garde son doublet. La liaison peptidique reste planePas de liaisons HHydrophobeRésidu rigide qui impose une certaine géométrie à la chaine principale(angles contraints.Ne peut stabiliser les structures secondaires (liaison N-H absente).Ce résidu sert à briser les hélices et à déformer les feuillets, elles ont le plus souvent Aux extremités.90% des prolines sont en position trans

occurrence des acides aminés (%)

0

2

4

6

8

10

12

Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val

Les plus abondants: Leu, Ala, Gly (cœur hydrophobe et flexibilité) + Glu, SerLes plus rares Cys, Met (souffre), His, Trp (synthèse couteuse)

Résumé

Résidu acide ou basique

chargé positivementN-term, Lys, Arg

Chargé négativement C-term, Asp, Glu

L'histidine et la cystéine sont les acides aminés dont les pKa sont les plus proches du pH physiologique.

Attention la serine n'est pas déprotonable sans assistance

Les plus hydrophobes: Ile, Leu, Val, Ala, Cys (si SH uniquement), Met, PheLes plus polaires : Arg, Lys (peut faire des liaisons hydrophobes etudes de la conformation indispensable), Asp, Asn, Glu, Gln, His

Protscale expasy: cf. Tp

hydrophobicité

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val

La notion d'hydrophobicité est plus compliquée car certains résidus sont à la fois hydrophobes et polaires. Ex Lys (chaine aliphatique+ amine), Thr (groupe méthyle + alcool), Tyr (groupe phényle+ alcool).

Il faut avoir la structure 3D pour comprendre le rôle du résidu

De plus, la solubilité change en fonction de l'état d'ionisation.Ex Cyst (S-H, S-)

La solubilité change aussi en fonction de l'état des cystéine .(le pont disulfure est beaucoup moins soluble que la cystéine libre)En general, les aa les plus enfouis sont les plus hydrophobes.

ratio: %enfouie/ %surface

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val

Les plus enfouies: cyst (oxydation), Ile, Leu, Val, Trp, Phe, Met, Ala (cœur hydrophobe)

Les résidus en surface: Arg, Lys (Charge), Glu, Asp, Gln, Asn.

La tyrosine est plutôt en surface

Propension de réactivité pour chaque acide aminé

Les acides aminés les plus réactifs sont : His, Cys (Pka ~7 proche Du pH physio), Asp (court et chargé)Les moins réactifs: hydrophobes aliphatiques (I, L, V, A)

Les différents fonctions des acides aminés

Les fonction les plus répandus: donneur (directif ou irreversiblestabilité) et accepteur de liaisons hydrogène. Stabilation électrostatique (état intermédiaire, diminution des energies d’activation).

La nature préfère les attaques nucléophiles.

Deamidation glycosylation