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Chapitre I: Les différentes classes de protéines

Les protéines peuvent être classées sur la base de:

leur solubilité dans des solutions salinesleur formeleur fonction biologiqueleur mobilité électrophorétique ou leur coefficient de sédimentation

leur structure 3D


I.1. Structures à domaine alpha

Myoémérythrine

myoglobine

Classe de structure la moins représentée

Faisceaux d’hélices alpha reliées par des boucles

Faisceaux de quatre hélices ou reploiement globine.

Sous-unité de la protéine Rop

2 hélices alpha antiparallèlesboucle de 3 acides aminés

Protéine Rop

DimèreFaisceaux de 4 hélices


Chaînes latérales hydrophobesChaînes latérales hydrophiles

Les hélices adjacentes dans la séquence et dans la structure 3D

Les centres actifs sont localisés au centre du faisceau dans la zone hydrophobe

Cytochrome b562 MyoémérythrineAtome de fer

Faisceaux de quatre hélices.


Reploiement globine ou pli de la globine

Faisceau de 8 hélices, orientations différentes

Entre 7 et 28 résidus

Hélices adjacentes dans la séquence pas forcément dans la structure

Conservation de la structure 3D dans différentes espèces avec homologie de séquences de 16 à 99%

Contacts hélice-hélice et hélice-hème: conservation absolue de l’hydrophobicité des résidus


I.2. Structures Bêta antiparallèles

Superoxyde dismutase8 brins β antiparallèles cœur hydrophobe

2ème plus grand groupe de structure

Comprend des enzymes, des protéines de transport, les anticorps et des protéines d’enveloppe virale

Brins bêta antiparallèles (4 à plus de 10) arrangés en 2 feuillets

Structure en tonneau

rubredoxin Région constant Région variable des Ig

préalbumine

Superoxydedismutase

Concanavaline A Chymotrypsine


2 motifs « épingle à cheveux »:

12 possibilités pour feuillet

bêta 4 brins

Clé grecque

Tonneau alterné

Tonneau clé grecque

Tonneau « gâteau roulé »


Tonneau alterné

Brins bêta adjacents dans la séquence et dans la structure 3D du tonneau alterné

Protéine plasmatique liant le rétinol

8 brins tors et courbes : 2 feuillets bêta (vert et bleu) serrés l’un contre l’autre. Certains brins (rouge) participent aux 2 feuillets. La molécule de rétinol est liée à l’intérieur du tonneau. Appartient à superfamille de protéines ayant structure 3D similaire, qui lient de grosses molécules hydrophobes. Tonneau bêta alterné bien adapté.


Neuraminidase du virus de la grippeHomotétramère

Pour chaque sous-unité, 6 feuillets bêta antiparallèles de 4 brins forment un supertonneau. 12 boucles forment le site actif


Tonneau à « clé grecque »

Structure de la gamma-cristalline

Monomère à 2 domaines1 domaine: 2 motifs « clé grecque », 2 feuillets bêta, 1 tonneau distordu

Structure d’un domaine


Tonneau « gâteau roulé »

Illustration schématique du motif « gâteau roulé »

Organisation de 8 brins bêta en longue

épingle à cheveux

Enroulement de l’épingle autour du tonneau.Tous les brins bêta sont antiparallèles

Diagramme topographique


I.3. Structures alpha/bêta

Structure de domaine la plus fréquente et la plus régulière

Alternance de brins bêta et d’hélices alpha

Motifs β−α−β (les brins béta sont parallèles)

Feuillet central parallèle ou mixte entouré d’hélices alpha

Présents dans toutes les enzymes de la glycolyse et transporteurs de métabolites


2 groupes

Tonneau fermé Feuillet tors ouvert

Triose phosphate isomérase Domaine de liaison des nucléotidesdéshydrogénases et kinases


β3 aligné adjacent à β2Ordre des brins 1-2-3-4Même orientation Hélices du même coté au dessus du feuillet

β3 aligné adjacent à β1Ordre des brins 4-3-1-2Hélices des 2 cotés du feuillet

Motif β−α−βStructure fixe droite

Tonneau fermé α/β Feuillet ouvert α/β


200 résidus pour former les tonneaux α/β

Intérieur du tonneau hydrophobe

Tonneau α/β de la glycolate oxydase


Structure de la pyruvate kinase530 acides aminés

B-antiparallèle(116 à 223)

Tonneau α/β (43 à 115)Site actif

+ fixation substrat

Feuillet α/β ouvert(388 à 530)

Domaine N-ter (1 à 42)

(édifice tétramèrique)


Dans tonneau α/β, site actif crée par 8 boucles qui relient extrémités C des brins β et extrémités N des hélices α

Tonneau fermé α/β Feuillet ouvert α/β

2 brins adjacents avec boucles de connexion situées sur faces opposées du feuillet. Création d’une crevasse où se localisent sites de fixation des ligands.

33 44


I.4. Structures alpha + bêta

Groupe restreint

Feuillet β localisé dans zone restreinte du domaine tassécontre plusieurs hélices α

Lysozyme du bactériophage T4


I.5. Exemples de relations structure/fonction

I.5.1. Transport de l’oxygène: myoglobine et hémoglobine

La myoglobine a une structure compacte et riche en hélice alphaClasse alpha, reploiement globine

D

La molécule d’hème est enfouie dans une poche hydrophobe



L’oxygène se fixe sur la myoglobine grâce à l’hème

La fixation d’oxygène déplace l’atome de fer par rapport au plan de l’hème


La liaison de l’hème à la myoglobine dépend principalement de deux résidus histidine

La liaison de l’oxygène à la myoglobine suit une courbe hyperbolique

Très haute affinité de la myoglobine pour l’oxygène



L’hémoglobine est composée de 4 sous-unités de structure proche de celle de la myoglobine

L’hémoglobine adulte contient 2 chaînes α et β, identiques deux à deux. Cette structure confère à la molécule des caractéristiques de protéine allostérique.


L’hémoglobine est adaptée pour la captation, le transport et la libération de l’oxygène dans les tissus: l’effet coopératif


L’hémoglobine est adaptée pour la captation, le transport et la libération de l’oxygène dans les tissus: modulations de l’affinité pour l’oxygène


L’hémoglobine est adaptée pour la captation, le transport et la libération de l’oxygène dans les tissus: modulations de l’affinité pour l’oxygène


L’affinité de Hb pour O2 est diminuée par le 2,3 diphospho-glycérate (DPG)

DPG: intermédiaire de la glycolyse, libéré dans tissus périphériques, présent dans hématies à la même concentration que Hb (2mM)

En absence de DPG, Hb perd ses propriétés de coopérativité

L’affinité de HB fœtale (HbF=α2γ2) pour O2 est supérieure à celle de Hb maternelle (HbA=α2β2).Cette différence d’affinité est liée à la plus faible affinité de la chaîne γ de HbF pour le DPG comparée à celle de la chaîne β de HbA

L’analyse de la structure 3D de l’hémoglobine permet de définir le mécanisme moléculaire de son fonctionnement

Lors de l’oxygénation, l’atome de fer se déplace


Les déplacements générés sur une sous-unité sont transmis à sous-unité associée

Les interactions entre chaînes adjacentes sont principalement réalisées par des ponts salins entre résidus chargés


La comparaison des structures de l’oxyHb et de la désoxyHbmontrent l’existence de 2 états moléculaires distincts


L’hémoglobine sert de modèle pour les protéines allostériques


L’hémoglobine sert de modèle pour l’étude des pathologies moléculaires

β6Glu ValHbA HbS


Deux exemples de situations pathologiques

CO: blocage du site actif de HB

Drépanocytose: pas d’atteinte du site actif



IV.5. Exemples de relations structure/fonctionIV.5.2. Défense de l’organisme et anticorps

Système immunitaire des vertébrés :

mécanismes de défense contre parasites, virus, bactéries, cellules cancéreuses

Deux types de mécanismes de défense

Les mécanismes de défense non-spécifique ou immunité innée ou naturelle

peau, muqueuses, acidité gastrique, cellules phagocytaires ou larmes

Les mécanismes de défense spécifique ou immunité acquise

- immunité à médiation cellulaire (lymphocytes T) contre cellules infectées par virus,

bactéries et cellules cancéreuses

- immunité humorale (anticorps spécifiques) contre bactéries et virus

Fortes interactions spécifiques entre protéines du système immunitaire

et molécules spécifiques des corps étrangers

Cellules B et anticorps ou immunoglobulines

Cellules T et récepteur (TCR)

TCR reconnaissent déterminants antigéniques présentés par protéines du CMH

Trois propriétés principales:

- Reconnaissance spécifique des molécules étrangères (distinction du soi et du non soi)

- Capacité de destruction de l’élément étranger

- Mécanisme de mémorisation qui permet une réponse rapide


Les mécanismes de défense spécifique

Déterminants antigéniques: sites des molécules reconnus par le système immunitaire


Les immunoglobulines: vaste répertoire de protéines capables de reconnaissance spécifique

- Formation d’un complexe antigène:anticorps très spécifique

- Grande diversité des anticorps

- Tout antigène présenté au système immunitaire provoque la production d’AC spécifiques

Réaction primaire(Première rencontre avec l’antigène)

Antigène

L’antigène se lie au récepteurmembranaire d’un lymphocyte spécifique

Prolifération pour former un clone

Lymphoblastes B

Lymphocytes B mémoirePlasmocytes

Molécules d’anticorps sécrétées

Stimulation subséquente par le même antigène

Réaction secondaire (Peut survenir des années plus tard )

Plasmocytes


Lymphocytes B mémoire

Clone de cellules identique auxpremières cellules sensibilisées.

Réaction primaire(Première rencontre avec l’antigène)

Antigène

L’antigène se lie au récepteurmembranaire d’un lymphocyte spécifique

Prolifération pour former un clone

Lymphoblastes B

Lymphocytes B mémoirePlasmocytes


Stimulation subséquente par le même antigène

Réaction secondaire (Peut survenir des années plus tard )

Plasmocytes


Lymphocytes B mémoire

Clone de cellules identique auxpremières cellules sensibilisées.



2 types de chaînes légères

5 types de chaînes lourdes

Structure d’un anticorpsDifférents types d’immunoglobuline


Régions hypervariables: spécificité des interactions antigène-anticorps


Origine de la diversité des anticorps

2 pools de gènes pour les chaînes légères

Jonction combinatoire+Diversité de jonction+Hypermutation somatique


1 pool de gènes pour chaînes lourdes

Jonction combinatoire:+Diversité de jonction+Hypermutation somatique

3000 X 90000= 270 000 000


2 fragments FabLient antigènes

Fragment FcFonctions effectrices

Molécules Ig complètes cristallisent difficilement: flexibilité région charnière CH1-CH2

Structure des fragments Fab, Fc et complexes avec antigènes: informations sur la structure des Ig


Domaines variables et constants des chaînes H et L ont une structure similaire:pli de l’immunoglobuline

Formé de 2 feuillets β antiparallèles: assimilé à tonneau à clé grecque

Pont S-S entre β2 et β6


Domaine constant7 brins

Domaine variable9 brins


Spécificité des Ig déterminée par séquence et taille des régions CDR

CDR1 CDR2 CDR3(β2−β3) (β3b-β3c) (β6-β7)

VL 24-34 50-56 89-97

VH 31-35 50-65 95-102

Tous les brins du feuillet à 5 brins sont impliqués dans les boucles des régions hypervariables


Chaîne légère

CDR proches forment site de liaison antigénique

Association VH-VL et CH1-CL


Association CL-CH1

Interactions entre les feuillets à 4 brins de CL et CH1

Résidus hydrophobes à l’interface


Association VL-VH

Interactions entre les feuillets à 5 brins de VL et VH

Formation d’un tonneau


Interaction CH2-CH2: pas d’interaction protéine/protéine, association lâche par chaînes polysaccharidiques

Interaction CH3-CH3: idem CL-CH1 (feuillet 4 brins)

Structure d’une molécule d’Ig complète


6 boucles forment le site complet de fixation de l’antigène: large surface à l’extérieur du tonneau

Site de fixation des haptènes:crevasse avec boucles CDR1 et CDR2

Complexe antigène/anticorps:lysozyme et fragment Fab d’un anticorps monoclonal anti lysozyme. En rouge, zone de contact


Homologies structurales des protéines qui participent à la défense de l’organisme

ANNONCE IMPORTANTE POUR LES TP

TP obligatoires indispensables pour la validation des UE

Structure des protéines, Immunologie

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