Lernzettel: Structure et fonction des protéines

📋 Plan du Cours

1. Généralités sur les protéines
2. Structure et nomenclature des acides aminés
3. Propriétés physico-chimiques des acides aminés
4. Classification des chaînes latérales
5. Ponts disulfure et acides aminés chargés
6. Organisation structurale des protéines
7. Structures tertiaire et quaternaire
8. Interactions, motifs et domaines
9. Modifications post-traductionnelles
10. Phosphorylation et protéine Tau
11. Relation séquence-structure tridimensionnelle
12. Repliement et pathologies conformationnelles
13. Fonctions et classification des protéines
14. Élastine et élastinopathies
15. Collagène et collagénopathies
16. Hémoglobine et myoglobine
17. Coopérativité et transport gazeux
18. Intoxication et hémoglobinopathies

📖 1. Généralités sur les protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine : Un polymère linéaire d’acides aminés unis par des liaisons peptidiques covalentes de type amide.

★ À maîtriser

• Les protéines représentent environ 50 % du poids sec d’une cellule et sont les biomolécules les plus abondantes dans la cellule.

• Les protéines assurent notamment des fonctions enzymatiques, de transport, toxiques, immunitaires et réceptrices.

• La conformation tridimensionnelle d’une protéine conditionne sa fonction biologique, de sorte qu’une modification structurale peut provoquer une altération fonctionnelle et potentiellement une pathologie.

Compléments

• Le collagène participe au rôle structural du tissu conjonctif et constitue notamment la lame basale servant de charpente aux cellules.

💡 Astuce mémo

Structure 3D modifiée → fonction altérée

📖 2. Structure et nomenclature des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide alpha-aminé : Possède un groupement amine primaire NH2, un groupement carboxylique COOH, un hydrogène et une chaîne latérale R portés par le carbone alpha.

★ À maîtriser

• Le code génétique permet de constituer les protéines à partir de 20 acides aminés standards ou protéinogènes, sélectionnés parmi environ 300 acides aminés naturels.

• Les huit acides aminés essentiels sont l’isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la valine, le tryptophane et la thréonine.

Compléments

• L’arginine et l’histidine sont semi-essentielles, car leur synthèse est insuffisante pendant la croissance, la grossesse ou certains états pathologiques.

• Les dix acides aminés non essentiels sont l’alanine, l’acide glutamique, la glutamine, l’acide aspartique, l’asparagine, la cystéine, la proline, la glycine, la sérine et la tyrosine.

📖 3. Propriétés physico-chimiques des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule amphotère : Peut se comporter comme un acide ou comme une base, propriété des acides aminés due à leurs fonctions carboxylique et amine.
• Point isoélectrique : PI est le pH auquel un acide aminé, un peptide ou une protéine ne possède aucune charge électrique nette.

📝 Points essentiels

• À pH acide, l’acide aminé est majoritairement sous forme cationique positive, à pH physiologique sous forme zwitterionique de charge nette nulle et à pH basique sous forme anionique négative.

• Les radicaux aromatiques de la phénylalanine, de la tyrosine et surtout du tryptophane absorbent les ultraviolets entre 260 et 280 nm, avec un maximum caractéristique à 280 nm.

📐 Formule — L’absorbance vérifie $A=\log\left(\frac{I_0}{I}\right)$ et $A=\varepsilon l C=kC$, où $I_0$ est l’intensité incidente, $I$ l’intensité transmise et $C$ la concentration protéique.

💡 Astuce mémo

Acide → zwitterion → basique

📖 4. Classification des chaînes latérales

★ À maîtriser

• Les chaînes latérales des acides aminés sont classées comme non polaires, polaires non chargées ou polaires chargées selon leurs propriétés physico-chimiques.

• Les acides aminés aliphatiques non polaires sont la glycine, l’alanine, la valine, la leucine et l’isoleucine.

• Dans les protéines globulaires, les chaînes latérales non polaires tendent à se regrouper au cœur hydrophobe afin de s’éloigner de l’eau.

Compléments

• La proline possède une chaîne latérale cyclique, rigide et volumineuse qui impose des contraintes conformationnelles et peut provoquer des changements de direction.

• La méthionine possède une chaîne latérale de type n-butyle contenant un atome de soufre, capable d’interactions faibles de type S-π avec des acides aminés aromatiques.

💡 Astuce mémo

Hydrophobe au cœur, polaire en périphérie

📖 5. Ponts disulfure et acides aminés chargés

★ À maîtriser

• Les acides aminés polaires non chargés sont la sérine, la thréonine, l’asparagine, la glutamine, la tyrosine et la cystéine, et leurs chaînes latérales peuvent établir des liaisons hydrogène.

• L’oxydation de deux groupements thiol de cystéines forme un pont disulfure covalent, tandis que la réduction casse ce pont.

• Les ponts disulfures peuvent relier deux chaînes polypeptidiques différentes ou deux cystéines d’une même chaîne et stabilisent ainsi les structures quaternaire et tridimensionnelle.

• L’insuline possède deux chaînes polypeptidiques distinctes reliées par deux ponts disulfures interchaînes et comporte un pont disulfure intrachaîne dans la chaîne alpha.

Compléments

• Les ponts disulfures se trouvent dans le milieu extracellulaire et du côté extracellulaire des protéines transmembranaires, car le milieu intracellulaire réducteur les casse.

💡 Astuce mémo

Oxydation des cystéines → pont disulfure

📖 6. Organisation structurale des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure primaire : La séquence ordonnée des acides aminés d’une protéine, lue conventionnellement de l’extrémité N-terminale vers l’extrémité C-terminale.
• Structure secondaire : Un repliement local de la chaîne polypeptidique stabilisé par des liaisons hydrogène entre les groupes C=O et N-H.
• Structure tertiaire : L’organisation tridimensionnelle globale d’une seule chaîne polypeptidique résultant de l’arrangement de ses structures secondaires.
• Structure quaternaire : Correspond à l’association d’au moins deux chaînes polypeptidiques distinctes au sein d’une même protéine.

★ À maîtriser

• La liaison peptidique est une liaison amide covalente formée entre le groupe alpha-amine d’un acide aminé et le groupe alpha-carboxyle d’un autre lors d’une réaction de condensation avec perte d’eau.

• La liaison peptidique est plane et rigide en raison de son caractère partiel de double liaison dû à la résonance, ce qui empêche la rotation entre l’azote et le carbone.

Compléments

• La configuration trans de la liaison peptidique est majoritaire car elle éloigne les chaînes latérales et réduit l’encombrement stérique, tandis qu’environ 10 % des résidus de proline sont en configuration cis.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire

📖 7. Structures tertiaire et quaternaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure quaternaire : Correspond à l’association d’au moins deux chaînes polypeptidiques distinctes formant une protéine, comme l’insuline qui possède deux chaînes.

★ À maîtriser

• Dans les protéines globulaires, les chaînes latérales hydrophobes s’agrègent au centre pour s’éloigner de l’eau, ce qui contribue au repliement spontané de la protéine.

• Les structures tertiaires et quaternaires sont stabilisées par des interactions de Van der Waals, des liaisons hydrogène, des interactions ioniques et, dans les protéines extracellulaires, des ponts disulfure entre cystéines.

Compléments

📌 Les protéines globulaires présentent généralement un cœur hydrophobe et une surface polaire, tandis que les porines possèdent un cœur hydrophile permettant le passage de molécules d’eau et d’ions à travers la membrane.

💡 Astuce mémo

Tertiaire = une chaîne ; quaternaire = plusieurs chaînes

📖 8. Interactions, motifs et domaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Motif protéique : Une combinaison courte de structures secondaires, aussi appelée structure super-secondaire, associée à des interactions précises et retrouvée dans plusieurs classes de protéines.
• Domaine protéique : Une unité structurelle et fonctionnelle distincte, autonome, constituée de 30 à 400 acides aminés et pouvant regrouper un ou plusieurs motifs.

📝 Points essentiels

• Les motifs protéiques comprennent notamment les séquences feuillet bêta-feuillet alpha-feuillet bêta, le plan bêta, la séquence alpha-alpha et la clé grecque.

• La protéine Src possède quatre domaines distincts: les domaines SH2 et SH3 impliqués dans les interactions, ainsi qu’un petit, un grand domaine kinase impliqués dans la phosphorylation

• Chez plusieurs espèces, le cytochrome C conserve une structure tridimensionnelle et une fonction globalement identiques malgré des structures primaires de longueurs différentes, allant de 86 à 134 acides aminés dans les exemples cités.

📖 9. Modifications post-traductionnelles

🔑 Notions clés & Définitions

• Modification post-traductionnelle : Une modification chimique covalente, généralement enzymatique, réalisée pendant ou surtout après la synthèse d’une protéine et pouvant être réversible.
• Phosphorylation : L’estérification du groupement hydroxyle de la chaîne latérale de la sérine, de la thréonine ou de la tyrosine par un groupement phosphate provenant de l’ATP.

★ À maîtriser

• Les modifications post-traductionnelles peuvent assurer la reconnaissance moléculaire, l’activation ou l’inactivation, le ciblage vers la dégradation, l’ancrage membranaire, la régulation des voies de signalisation et l’adressage à un compartiment cellulaire.

• Les kinases catalysent les phosphorylations, tandis que les phosphatases catalysent les déphosphorylations, qui ramènent fréquemment la protéine à son état initial.

Compléments

• Les principales modifications post-traductionnelles citées sont la phosphorylation, la glycosylation, l’ubiquitinylation, les ponts disulfure, l’acétylation, l’ajout de lipides, la méthylation et l’hydroxylation.

📖 10. Phosphorylation et protéine Tau

★ À maîtriser

• La protéine Tau, présente dans les axones, stabilise les microtubules axonaux et participe au transport axonal antérograde et rétrograde.

• La Tau déphosphorylée s’associe aux microtubules, empêche leur dissociation et favorise leur polymérisation, tandis que la Tau phosphorylée favorise leur dépolymérisation.

• Dans la maladie d’Alzheimer, l’hyperactivité de certaines kinases hyperphosphoryle Tau, ce qui déstabilise les microtubules et provoque l’agrégation de Tau en filaments insolubles.

Compléments

• La dégénérescence neurofibrillaire liée aux agrégats de Tau contribue à la mort des neurones et à la perte de leur fonction dans la maladie d’Alzheimer.

📖 11. Relation séquence-structure tridimensionnelle

🔑 Notions clés & Définitions

• Repliement protéique : Le processus physique par lequel une chaîne polypeptidique adopte une structure tridimensionnelle caractéristique nécessaire à sa fonction.

★ À maîtriser

• L’expérience d’Anfinsen a montré qu’une ribonucléase dénaturée par l’urée et le bêta-mercaptoéthanol retrouve spontanément sa structure tridimensionnelle et son activité après élimination des agents dénaturants.

Compléments

📌 La glycine et la proline favorisent les coudes bêta, mais déstabilisent généralement les hélices alpha et les feuillets bêta, tandis que l’acide glutamique, la méthionine et l’alanine favorisent davantage les hélices alpha.

• La prédiction de la structure tertiaire reste difficile en raison du contexte de repliement, mais des outils comme AlphaFold utilisent l’intelligence artificielle pour prédire la structure à partir de la séquence primaire.

💡 Astuce mémo

Séquence des acides aminés → structure 3D → fonction

📖 12. Repliement et pathologies conformationnelles

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine métamorphique : Peut exister sous plusieurs conformations définies à partir d’une même structure primaire, chacune pouvant assurer une activité biologique différente.
• Protéine intrinsèquement non structurée : Possède une ou plusieurs régions dépourvues de structure tridimensionnelle fixe et adopte une structure définie lors de ses interactions avec d’autres protéines.

★ À maîtriser

• La lymphotactine existe en équilibre entre une conformation riche en hélices alpha assurant son activité chimiokine et une conformation riche en feuillets bêta permettant son interaction avec les glycosaminoglycanes.

• Le repliement protéique est coopératif et suit des intermédiaires de plus en plus structurés et stables dans un entonnoir énergétique, jusqu’à l’état final de plus faible énergie.

• Les maladies à prions sont des pathologies conformationnelles dues à l’accumulation de protéines mal repliées, sans modification nécessaire de leur séquence primaire.

📌 La forme normale PrPc possède un domaine globulaire riche en trois hélices alpha et sensible aux protéases, tandis que la forme pathologique PrPsc est enrichie en feuillets bêta, résistante aux protéases et insoluble.

Compléments

• Environ 50 % des protéines eucaryotes possèdent au moins une région non structurée de plus de 30 acides aminés, ce qui peut leur permettre d’interagir avec plusieurs partenaires.

• La maladie de Creutzfeldt-Jakob provoque une mort neuronale rapide donnant un aspect spongieux au cerveau, avec dépôt de fibres composées presque exclusivement de PrPsc, et ne possède actuellement aucun traitement curatif.

💡 Astuce mémo

Dépliée → intermédiaires → forme stable

📖 13. Fonctions et classification des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Kératine : Les kératines sont des protéines fibreuses insolubles, riches en cystéines et en soufre, mécaniquement résistantes mais flexibles, constituant notamment la couche cornée et les phanères.
• Kératinopathie héréditaire : Une maladie génétique rare due à une altération des gènes de la kératine, entraînant une fragilité de certains épithéliums ou phanères.

★ À maîtriser

• Les protéines peuvent être structurales, de transport, motrices, régulatrices, de signalisation, de défense et de protection, ou de stockage.

📌 Les holoprotéines sont constituées uniquement d’acides aminés, tandis que les hétéroprotéines possèdent aussi un groupement prosthétique non protéique, comme l’hème de l’hémoglobine.

📌 Les protéines globulaires sont généralement sphériques, solubles et fonctionnelles, tandis que les protéines fibreuses sont filamenteuses, souvent insolubles et principalement structurales.

• Les oligopeptides comportent moins de 10 acides aminés, les polypeptides de 10 à 100 acides aminés et les protéines plus de 100 acides aminés ; la titine, par exemple, possède environ 30 000 acides aminés.

• Deux hélices alpha droites de kératine s’enroulent en superhélice gauche, puis s’agrègent en protofilaments, protofibrilles et enfin fibres de kératine.

Compléments

• Les ponts disulfure augmentent la rigidité des fibres de kératine ; les cornes et les griffes en contiennent davantage que la laine et les poils, ce qui les rend plus rigides.

📖 14. Élastine et élastinopathies

🔑 Notions clés & Définitions

• Élastine : Une protéine très hydrophobe d’environ 750 acides aminés, constituant majeur des fibres élastiques avec la fibrilline et dépourvue de structure secondaire déterminée.

★ À maîtriser

• La lysyl-oxydase transforme des résidus de lysine en desmosine et isodesmosine, qui relient covalemment les molécules de tropoélastine pour former un polymère insoluble et très stable.

• Lors de l’étirement, l’élastine expose ses résidus hydrophobes, l’eau s’insère entre les molécules, puis la force hydrophobe expulse l’eau et ramène la protéine à son état initial.

Compléments

• L’élastine contient environ 95 % d’acides aminés apolaires, notamment la glycine, l’alanine et la proline, et environ 5 % d’acides aminés polaires, notamment la lysine.

• La cutis laxa est une élastinopathie héréditaire due à des mutations du gène de l’élastine, caractérisée par une peau ridée, une perte d’élasticité et un risque de dissection ou d’anévrisme aortique.

💡 Astuce mémo

Hydrophobie → élasticité

📖 15. Collagène et collagénopathies

🔑 Notions clés & Définitions

• Tropocollagène : L’unité structurale de base du collagène, constituée d’une superhélice formée par l’enroulement de trois chaînes polypeptidiques reliées par des liaisons hydrogène.

★ À maîtriser

• Le collagène représente environ 30 % des protéines et constitue la protéine la plus abondante du règne animal; le collagène de type I représente plus de 90 % du collagène et se trouve notamment dans la peau, les os, les tendons, les vaisseaux et la cornée.

• La formation du collagène nécessite la vitamine C comme cofacteur des hydroxylations de la proline et de la lysine par les hydroxylases correspondantes, produisant l’hydroxyproline et l’hydroxylysine.

• La structure primaire du collagène repose sur la répétition du motif $\left(\mathrm{Gly-X-Y}\right)_n$, répété de 10 à 100 fois, avec une glycine en position X ou Y sur trois et fréquemment la proline en X et l’hydroxyproline en Y.

• Le scorbut est une collagénopathie acquise due à une carence en vitamine C, entraînant une fragilité des vaisseaux, des tendons et de la peau, un syndrome hémorragique, une fatigue extrême et parfois une hémarthrose.

Compléments

📌 La glycine doit occuper une position axiale dans la triple hélice car sa chaîne latérale réduite à un hydrogène évite l’encombrement stérique.

• L’ostéogenèse imparfaite est une collagénopathie héréditaire souvent liée à des mutations du collagène I, dont une substitution axiale de la glycine par un acide aminé encombrant déstabilise la triple hélice et provoque une fragilité osseuse.

💡 Astuce mémo

Gly-X-Y → triple hélice → fibres

📖 16. Hémoglobine et myoglobine

🔑 Notions clés & Définitions

• Hème : Le groupement prosthétique non protéique de la myoglobine et de l’hémoglobine, constitué d’une protoporphyrine et d’un atome de fer central capable de fixer l’oxygène sous forme ferreuse Fe2+.

★ À maîtriser

📌 La myoglobine est une hétéroprotéine monomérique intracellulaire du muscle qui stocke l’oxygène, tandis que l’hémoglobine est une hétéroprotéine tétramérique des globules rouges qui transporte l’oxygène des poumons aux tissus et participe à l’évacuation du CO₂.

• La myoglobine comprend une seule chaîne polypeptidique de 153 acides aminés formée de huit hélices alpha, tandis que l’hémoglobine est un tétramère α₂β₂ composé de deux chaînes alpha de 141 acides aminés et de deux chaînes bêta de 146 acides aminés.

📌 La courbe de saturation de la myoglobine est hyperbolique et traduit une très forte affinité pour l’oxygène, tandis que celle de l’hémoglobine est sigmoïde en raison de la coopérativité entre ses sous-unités.

Compléments

• Dans l’hème, le fer est coordonné aux quatre azotes de la protoporphyrine, à l’histidine proximale de la protéine et à l’oxygène, dont la liaison est stabilisée par l’histidine distale.

💡 Astuce mémo

Myoglobine stocke, hémoglobine transporte

📖 17. Coopérativité et transport gazeux

★ À maîtriser

• La fixation de l’oxygène sur une sous-unité de l’hémoglobine réduit la taille du fer, l’aligne avec le plan de l’hème et déclenche une réorganisation conformationnelle qui se propage aux sous-unités adjacentes, faisant passer l’état T à l’état R.

• La transition T vers R augmente progressivement l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène, tandis que la transition R vers T diminue cette affinité au fur et à mesure de la libération de l’oxygène.

• L’hémoglobine transporte environ 15 à 20 % du dioxyde de carbone total en le liant réversiblement aux groupements aminés de son apoprotéine, formant la carbaminohémoglobine sans interaction avec l’hème.

📌 L’effet Bohr correspond à la diminution de l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène lorsque la pCO₂ augmente et que le pH diminue dans les tissus, ce qui favorise la libération d’oxygène.

Compléments

• En hypoxie, l’augmentation du 2,3-bisphosphoglycérate dans les globules rouges stabilise la forme T de l’hémoglobine, diminue son affinité pour l’oxygène et déplace la courbe de saturation vers la droite.

💡 Astuce mémo

T → R : fixation progressive de l’O₂

📖 18. Intoxication et hémoglobinopathies

🔑 Notions clés & Définitions

• Hémoglobinopathies : Des pathologies génétiques dues à une anomalie de l’hémoglobine pouvant modifier sa solubilité, sa stabilité, son affinité pour l’oxygène ou l’état d’oxydation du fer.

★ À maîtriser

• Le monoxyde de carbone est un gaz inodore et incolore issu d’une combustion incomplète; il se fixe au fer héminique avec une affinité environ 250 fois supérieure à celle de l’oxygène et forme la carboxyhémoglobine.

• La fixation du CO sur une ou deux sous-unités de l’hémoglobine augmente l’affinité des autres sous-unités pour l’oxygène, empêchant ainsi sa libération tissulaire et provoquant une hypoxie.

• La drépanocytose résulte du remplacement du glutamate hydrophile par une valine hydrophobe en position 6 de la chaîne bêta, ce qui favorise la polymérisation de la désoxyhémoglobine S et la formation de globules rouges en faucille.

Compléments

• Dans l’hémoglobinose M, une mutation des chaînes alpha ou bêta, telle que la substitution de l’histidine F8 par une tyrosine, favorise la formation de méthémoglobine contenant du fer Fe3+ incapable de fixer l’oxygène et provoque une cyanose.

• La drépanocytose provoque des crises vaso-occlusives favorisées par l’hypoxie, la déshydratation, les efforts physiques, les infections et la fièvre, ainsi qu’une anémie et un risque accru d’infections.

💡 Astuce mémo

CO bloque l’O₂, BPG le libère

📊 Tableaux de synthèse

Catégories des acides aminés

Catégorie	Acides aminés	Propriété principale
Essentiels	Isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, valine, tryptophane, thréonine	Apport alimentaire nécessaire
Semi-essentiels	Arginine, histidine	Synthèse insuffisante dans certaines situations
Non essentiels	Alanine, acide glutamique, glutamine, acide aspartique, asparagine, cystéine, proline, glycine, sérine, tyrosine	Synthèse possible par l’organisme

PrPc et PrPsc

Caractéristique	PrPc normale	PrPsc pathologique
Structure	Trois hélices alpha	Feuillets bêta anormaux
Protéases	Sensible	Résistante
Solubilité	Soluble	Insoluble et agrégée en fibres amyloïdes