STRUCTURE DES PROTÉINES

BASES DE LA BIOLOGIE STRUCTURALE

Intérêts : « drug design » (IEC), physio- pathologie (HbS)

1 notion 1 méthode 1 exemple

des pré-requis :

- chimie bio-organique : acides aminés (20 AA fondamentaux) et oses, acides gras

- biologie cellulaire : fonctions des protéines, acides nucléiques, structure et fonctions des membranes, organites, matrice extra-cellulaire

- biophysique : spectroscopies, spectrométries

I- DÉFINITIONS ET CLASSIFICATIONS1- PEPTIDES ET PROTÉINES

amidification – classification selon longueur de la chaîne

2- CLASSIFICATION DES PROTÉINES SELON LEUR COMPOSITIONholo- et hétéro-protéines (glyco-, lipo-, phospho-, métallo-, chromo-)

3- CLASSIFICATION DES PROTÉINES SELON LEUR STRUCTURE GLOBALE1 ou plusieurs chaînes polypeptidiques

4- CLASSIFICATION DES PROTÉINES SELON LEURS STRUCTURES 2RES

- protéines globulaires : classes , , /, + - protéines fibrillaires (fibreuses) : 1 type 2re +

superstructure 4re

II- LIAISON PEPTIDIQUE ET STRUCTURE 1RE

4 niveaux structuraux

1- PROPRIÉTÉS DE LA LIAISON PEPTIDIQUEmésomérie distances interatomiques diminuées, coplanéité des atomes, conformation trans bloquée, NH non ionisable, flexibilité par rotations sur les

axes C- C et C-N

2- NOMENCLATURES- orientation conventionnelle: N1 --- Cn

Phe – Val – Asn – Glu – His – Leu 1 2 3 4 5 6 F V N Q H L

- définition de la structure 1re :séquence et séquençage

3- OLIGOPEPTIDES - POLYPEPTIDES- propriétés organoleptiques- caractère amphotère : définition du pI (zwitterion)- caractère amphiphile- hydrolyses : chimiques (HCl, NaOH, CNBr) et

enzymatiques (amino-, carboxy-, endo-peptidases)- exemples d’oligopeptides d’intérêt biologique :

glutathion, insuline, endorphines…

4- SÉQUENÇAGE DES PEPTIDES ET PROTÉINES- méthodes chimiques (Sanger, Edman/PITC) et par la

génétique moléculaire (cDNA et code génétique)- résultats dans les protéines globulaires et fibreuses

III- STRUCTURE 2RE

1- DÉFINITION- repliement régulier, périodique (hélice ,

feuillet ) ou non (coude ) angles (C-C) et (C-N)

- rôle des liaisons H- diagramme de Ramachandran: conformations

stables

2- HÉLICE - modèle -kératine et hémoglobine, myoglobine : et du même signe, liaison H/n + 4, 3,6 résidus/tour, hélice droite (3,6 - 13)

3- FEUILLET - conformation : modèle -kératine ( - 40°, + 60°)- associations de brins en feuillet : liaisons H

parallèle ou anti-parallèle (+ stable)

- « épingles à cheveux » type I et II (Gly); coude - AA favorisant

4- STRUCTURES NON PÉRIODIQUES- coudes (2re apériodique) : cis-Pro (6 %) sites de modifications post-traductionnelles (P, chaînes glycaniques…)

- plus rarement : hélice 3,6 - 13 gauchehélice (liaison H/n + 5)hélice 3 - 10 (liaison H/n + 3, 3 résidus/tour)

- AA favorisant

5- SUPER-STRUCTURES 2RES

: -boucle- (sites de liaison du Ca2++, de l’ADN…) « fagot » (4 hélices antiparallèles) : « the hemoglobin form »

: motif grec, « tonneau » (antiparallèles), feuillets parallèles : « hélice »

- boucles : jonctions stables- « pelote statistique » : modèle polyAsp ou

polyGlu

IV- STRUCTURE 3RE

1- DÉFINITION- conformation privilégiée (thermodynamiquement

stable : entropie minimale), aspects tridimensionnels/repliements multiples dont ceux du 2re

- relations structure/activité : adaptations conformationnelles (efficacité catalytique des enzymes, reconnaissances AG/AC et récepteur /ligand)

/ : (motif de Rossman/déshydrogénases à NAD+)« tonneau » /, « feuille torsadée », « sabot » / (enzymes glycolytiques : HK, TPI, PK)/ + (tyrosyl-tRNA-synthétase)/ + (carboxypeptidases : Zn2+)

3- DÉNATURATION- emploi de réducteurs : ME, DTT dénaturation

partielleponts disulfure intra- et inter-caténaires (Ig)

- dénaturations thermique, chimique (pH extrêmes, précipitations au pI et aux sels neutres, emploi d’agents dénaturantss type urée et SDS)

2- MAINTIEN DE LA STRUCTURE 3RE

Liaisons stabilisatrices : S- ponts disulfure : Cys adjacentes en 3D- interactions faibles : liaison ionique par

interactions électrostatiques, liaison H, interactions hydrophobes (forces de Van der Waal’s)

- Les chaperons protéiques (chaperonines et HSP, protéino-disulfure-isomérases/ponts SS, peptidyl-prolyl-isomérase/cis-Pro) exemple du système GROEL/GROES

4- LE REPLIEMENT CONFORMATIONNEL- Définition :

co-traductionnel polypeptide replié biologiquement actifaspects thermodynamiques et cinétiques : intermédiaires à la recherche du repliement de plus faible S. phase rapide : nécessité « chaperons »

moléculaires. phase lente : spontanée (thermodynamie)

- Aspects cinétiques : < 100 AA : sans intermédiaire (0,1 - 1 s)> 100 AA : intermédiaires guidés par chaperons (1 - 1000 s) « molten-globule » : enfouissement des résidus hydrophobes, importance des coudes et des ponts SS

- Familles et super-familles de repliement : conservation phylogénique (structurale/super 2re et domaines, mais fonctionnel prime sur le structural/super-familles)exemple : les sérine-protéases (conservation du site actif)

V- STRUCTURE 4RE

1- DÉFINITION

- association spécifique de plusieurs chaînes polypeptidiques par liaisons faibles, non covalentes ; définition différente pour protéines fibreuses

- notion d’oligomérie (monomères identiques ou protomères différents/gènes différents à expression coordonnée), structure symétrique

2- MODÈLE DE L’HÉMOGLOBINE

Structure 4re et allostérie

3- L’ALLOSTÉRIE, UN EXEMPLE DE TRANS-CONFORMATION

- équilibre entre plusieurs conformères :

2 (T/R) : théorie de Monod-Wyman-Changeux

plusieurs conformères selon le nombre d’oligomères : Koshland

- relations avec activité biologique (protéines de transport, récepteurs/effets homotropes des ligands, enzymes allostériques/effets homotropes des substrats et hétérotropes de ligands)

régulations métaboliques cellulaires et physiologiques

VI- HÉTÉROPROTÉINES ET MODIFICATIONS POST-TRADUCTIONNELLES

1- PHOSPHOPROTÉINES ET PHOSPHORYLATIONS- protéine-kinases/phosphatases spécifiques- sites de phosphorylation : -OH (Ser, Thr, Tyr)

2- MÉTALLOPROTÉINESCations métalliques ou alcalino-terreux/liaisons de

coordination

3- GLYCOPROTÉINES ET GLYCOSYLATIONS- chaînes glycaniques : O et N-glycosyl-protéines

- OH Ser/Thr GalNAc, NaNa- NH Asn/séquence consensus

GlcNAc/pentasaccharide de basetrois grands types d’isoglycanes ramifiés et antennés

4- LIPOPROTÉINES

formes circulantes (plasmatiques) micellaires des lipides : apolipoprotéines

5- PROTÉINES MEMBRANAIRES

- protéines périphériques

- protéines intégrées : 1 TM, 4 TM (canaux ioniques), 7 TM (bactériorhodopsine) ; hélice et hydrophobie (diagramme d’hydrophobie) ; ancrages lipidiques (glypiation, isoprénylation…)

- propriétés biologiques- déglycosylations chimiques et enzymatiques

VII- QUELQUES GRANDES FAMILLES DE PROTÉINES GLOBULAIRES1- ALBUMINES

structure et fonction de transport et maintien de la pression oncotique2- IMMUNOGLOBINES

bases structurales des principales classes : relations structure/fonction3- PROTÉINES LIANT L’ADN

( boucle , doigts à Zn, « leucine-zipper »)interactions protéines-ADN

VIII- QUELQUES PROTÉINES FIBRILLAIRES1- LES KÉRATINES (,, fibroïne)2- PROTÉINES CONTRACTILES (actine/myosine,

tubuline du cytosquelette)3- LES COLLAGÈNES

IX- MÉTHODES D’ÉTUDES DES PROTÉINES ET DE LEUR STRUCTURE

1- PURIFICATION (extraction, fractionnement, chromatographies et électrophorèses préparatives)

2- ÉTUDE DES PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES

- composition (en AA, en groupements prosthétiques) et séquençage

- détermination de la taille et de la masse moléculaire

3- MÉTHODES DE DÉTERMINATION 3D- spectrométries : directe et UV/visible,

dichroïsme circulaire (taux d’hélicité), en fluorescence

- radiocristallographie et RMN-2D

4- MÉTHODES DE PRÉDICTION

5- INTERACTIONS PROTÉINE-LIGAND (analyse de Scatchard, coopérativité moléculaire)