Les Protéines (cours d'université)

« Les protéines 1. INTRODUCTION .

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.1 2. LES ACIDES AMINÉS STANDARD DES PROTÉINES .

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.1 2.1. 2.1.1. Groupe 1 : acides aminés aliphatiques...................................................................................3 2.1.2. Groupe 2 : acides aminés aromatiques ..................................................................................3 2.1.3. Groupe 3 : acides aminés dicarboxyliques et leurs amides.........................................................4 2.1.4. Groupe 4 : acides aminés dibasiques.....................................................................................5 2.1.5. Groupe 5 : acides aminés alcools .........................................................................................6 2.1.6. Groupe 6 : acides aminés soufrés .........................................................................................7 2.1.7. Groupe 7 : iminoacide........................................................................................................7 2.2. La chiralité ......................................................................................................................8 2.2.2. Absorption et fluorescence ..................................................................................................9 2.2.3. Solubilité .......................................................................................................................

10 P ROPRIÉTÉS CHIMIQUES.........................................................................................................

10 2.3.1. Le groupement carbonyle ( α-carboxylique) ..........................................................................

10 2.3.2. Le groupement amine (α-aminé).........................................................................................

11 2.3.3. Les groupes latéraux........................................................................................................

14 2.4. P ROPRIÉTÉS IONIQUES ...........................................................................................................

15 2.4.1. Remarque générale..........................................................................................................

16 2.4.2. Définition du pH isoélectrique ...........................................................................................

18 2.4.3. Aminoacides à chaîne latérale ne comportant pas de groupe ionisable ......................................

19 2.4.4. Aminoacides à chaîne latérale comportant une fonction acide..................................................

20 2.4.5. Aminoacides à chaîne latérale comportant une fonction base...................................................

22 2.4.6. Récapitulatif des pK des fonctions ionisables ........................................................................

24 2.5. 4. P ROPRIÉTÉS PHYSIQUES ...........................................................................................................8 2.2.1. 2.3. 3. F ORMULES GÉNÉRALES ...........................................................................................................2 AUTRES CLASSIFICATIONS DES AMINOACIDES .........................................................................

24 2.5.1. Hydrophilicité.................................................................................................................

24 2.5.2. pH isoélectrique (pI) ........................................................................................................

25 LES ACIDES AMINÉS NON STANDARD .

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25 3.1. AMINOACIDES SUBISSANT UNE MODIFICATION POST-TRADUCTIONNELLE ..................................

25 3.2. AUTRES AMINOACIDES ..........................................................................................................

26 LES PEPTIDES .

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26 4.1. 4.1.1. LA LIAISON PEPTIDIQUE .........................................................................................................

27 Type de liaison................................................................................................................

27 _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines 4.1.2. 4.2. LES CHAÎNES PEPTIDIQUES ET LEUR NOMENCLATURE ..............................................................

28 4.3. IONISATION DES PEPTIDES ......................................................................................................

29 4.3.1. Exemple 1 ......................................................................................................................

29 4.3.2. Exemple 2 ......................................................................................................................

33 4.4. DÉTERMINATION DE LA STRUCTURE D'UN PEPTIDE...................................................................

37 4.4.1. Hydrolyse de la liaison peptidique ......................................................................................

37 4.4.2. Détermination de la séquence ............................................................................................

39 4.4.3. Détermination de la séquence : la dégradation récurrente d'Edman ..........................................

40 4.4.4. Détermination de la séquence : technique récente..................................................................

40 4.5. LES PEPTIDES D'INTÉRÊT BIOLOGIQUE .....................................................................................

41 4.5.1. Peptides à rôle physico-chimique .......................................................................................

41 4.5.2. Peptides à activité de médiateur .........................................................................................

41 4.5.3. Peptides antibiotiques ......................................................................................................

43 4.5.4. Peptides immunomodulateurs ............................................................................................

43 4.6. 5. Géométrie de la liaison peptidique......................................................................................

27 LA SYNTHÈSE PEPTIDIQUE......................................................................................................

44 LES PROTÉINES.

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44 5.1. S TRUCTURE PRIMAIRE ...........................................................................................................

45 5.1.1. Méthodes directes............................................................................................................

45 5.1.2. Les apports de la connaissance des structures primaires.........................................................

45 5.2. S TRUCTURE SECONDAIRE ......................................................................................................

45 5.2.1. Les contraintes de la liaison peptidique ...............................................................................

46 5.2.2. α-hélice.........................................................................................................................

46 5.2.3. Feuillet β .......................................................................................................................

47 5.2.4. Le coude........................................................................................................................

49 5.2.5. La pelote statistique .........................................................................................................

49 5.3. 5.3.1. 5.4. S TRUCTURE TERTIAIRE ..........................................................................................................

49 Méthodes de détermination de structure tertiaire des protéines ................................................

51 S TRUCTURE QUATERNAIRE ....................................................................................................

51 _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines Les protéines 11..

IInnttrroodduuccttiioonn En 1839, le chimiste hollandais Gerrit MULDER publia des résultats sur l'analyse de la fibrine du sang, des albumines du sérum sanguin et de l'œuf.

Ceux-ci indiquaient que c'étaient des composés quaternaires (C, H, O, N) avec des pourcentages quasiment identiques pour ces quatre atomes et qui contenaient des traces variables de soufre et de phosphore.

En 1938, sur la suggestion du chimiste suédois BERZELIUS, MULDER désigna ces composés sous le nom de protéines (du grec : prééminence). Après une période d'identification des composants, les acides α -aminés, FISCHER et HOFMEISTER présentèrent chacun, le même jour, lors d'un congrès en 1902 le mode de liaison des acides aminés dans les protéines: la liaison peptidique. Les protéines sont des biomolécules de première importance : - par leur présence universelle dans le monde vivant, seuls des viroïdes en sont dépourvus. - par leur abondance cellulaire : c'est le premier constituant après l'eau (10 fois plus que des glucides) - par leur extrême diversité : elles assurent des fonctions vitales tant structurales que dynamiques et de plus elles sont le support de la spécificité des "espèces". 22..

LLeess aacciiddeess aam miinnééss ssttaannddaarrdd ddeess pprroottééiinneess Sur un ensemble de quelques 300 aminoacides, pour le moment inventoriés, seuls 20 de ceuxci composent les protéines en tenant compte du fait que certains aminoacides non standard, trouvés dans les protéines, sont modifiés après la traduction (modification posttraductionnelle).

Les noms de ces 20 aminoacides, dont le dernier à être caractérisé fut la thréonine en 1935, n'obéissent à aucune nomenclature et évoquent soit leurs sources, soit leurs propriétés physiques ou encore un quelconque caractère analytique. On a l'habitude d'utiliser des abréviations à trois lettres ou à une lettre pour cette série de vingt aminoacides. Les animaux supérieurs sont incapables de biosynthétiser la totalité de ces aminoacides.

Chez l'homme, l'isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la thréonine, le tryptophane et la valine doivent être apportés par la ration alimentaire, ils sont qualifiés d'indispensables.

A ceux-ci, on peut ajouter des aminoacides essentiels que l'organisme synthétise à une vitesse trop lente : l'arginine et l'histidine, qui sont indispensables pour le nouveau-né ou l'enfant. _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 1 - Nom Abréviations Nom Abréviations alanine Ala A leucine Leu L arginine Arg R lysine Lys K asparagine Asn N méthionine Met M acide aspartique Asp D phénylalanine Phe F cystéine Cys C proline Pro P acide glutamique Glu E sérine Ser S glutamine Gln Q thréonine Thr T glycine Gly G tryptophane Trp W histidine His H tyrosine Tyr Y isoleucine Ile I valine Val V Asp ou Asn Glu ou Gln inconnu Asx Glx B Z X non identifiés par l'analyse 2.1. Formules générales Les aminoacides ont en commun d'être des molécules bifonctionnelles portant un groupement amine (primaire) sur le carbone porteur du groupement carboxyle, dit carbone α.

La fonction amine est une base et la fonction carboxyle est un acide (fonctions ionisables). Ce sont des acides α-aminés (ou encore 2-amino-acides), exception pour la proline qui a une amine secondaire (acide α-iminé).

Leur formule générique s'écrit : NH 2 NH 2 R C H O acide α-aminé OH R : chaîne latérale C OH R O Le résidu R est un résidu variable qu'on appelle la chaîne latérale.

On distingue : - les R aliphatiques à - chaîne carbonée de type carbure, linéaire ou branchée - chaîne carbonée portant des groupements fonctionnels (acide, amide, alcool, thiol, amine, guanidine) - les R cycliques : - aromatiques - hétérocycles à azote _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 2 - Sept groupes d'aminoacides peuvent être définis par rapport à leurs chaînes latérales : 2.1.1.

Groupe 1 : acides aminés aliphatiques La chaîne latérale est une chaîne carbonée aliphatique linéaire ou ramifiée. Glycine (Gly, G) : NH 2 H C COOH H Alanine (Ala, A) : R est un groupement méthyle NH 2 CH 3 C COOH H Valine (Val, V) : R est un groupement isopropyle NH 2 CH 3 CH CH 3 C COOH H Leucine (Leu, L) : R est un groupement isobutyle NH 2 CH 3 CH CH 2 CH 3 C COOH H Isoleucine (Ile, I) : R est un groupement butyle secondaire NH 2 CH 3 CH 2 CH C COOH CH 3 H 2.1.2.

Groupe 2 : acides aminés aromatiques La chaîne latérale contient un groupe aromatique, structure cyclique à 6 électrons délocalisés. _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 3 - Phénylalanine (Phe, F) : R est un groupement phényle NH 2 CH 2 C COOH H Tyrosine (Tyr, Y) : R est un groupement phénol NH 2 HO CH 2 C COOH H Les alcools aromatiques sont des acides très faibles dont la forme base conjuguée est un phénate. Tryptophane (Trp, W) : R est un groupement indole NH 2 CH 2 C COOH H N H La délocalisation des électrons supprime les propriétés basiques de l'azote : le doublet électronique n'est plus un accepteur de protons. 2.1.3.

Groupe 3 : acides aminés dicarboxyliques et leurs amides La chaîne latérale contient un groupement carbonyle libre ou sous forme d'amide. Acide aspartique (Asp, D) : groupement β-carboxyle NH 2 O C CH 2 HO C COOH H _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 4 - Le groupement β-carboxyle est ionisable.

Il est chargé négativement à pH physiologique (forme base conjuguée). Asparagine (Asp, N) : amide de l'acide aspartique NH 2 O C CH 2 NH 2 C COOH H Le groupement amide n'est pas protonable : le doublet électronique de l'azote est délocalisé et engagé dans une orbitale hybride sp2 avec les atomes C et O. Acide glutamique (Glu, E) : groupement γ-carboxyle NH 2 O C CH 2 CH 2 HO C COOH H Le groupement γ-carboxyle est ionisable.

Il est chargé négativement à pH physiologique (forme base conjuguée). Glutamine (Gln, Q) : amide de l'acide glutamique NH 2 O C CH 2 CH 2 NH 2 C COOH H Le groupement amide n'est pas protonable (voir l'asparagine). 2.1.4.

Groupe 4 : acides aminés dibasiques La chaîne latérale contient une fonction amine qui porte sous la forme acide conjuguée une charge positive. Lysine (Lys, K) : groupement ε-amino NH 2 H2N CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C COOH H _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 5 - Le groupement ε-amino est un accepteur de proton (forme acide conjugué : ion ammonium). Histidine (His, H) : groupement imidazole NH 2 CH 2 3 N NH H 1 2 C COOH Le doublet libre de l'azote en position 3 est un accepteur de proton.

Le doublet de l'azote en position 1 participe à la conjugaison des doubles liaisons et n'est pas disponible pour accepter un proton.

Bien évidemment, les rôles des deux azotes peuvent être échangés (formes mésomères). Arginine (Arg, R) : groupement δ-guanidyle NH 2 H2N C NH CH 2 CH 2 CH 2 HN (a) C COOH H La double liaison de l'azote (a) et les doublets libres des deux autres azotes forment un hybride de résonance.

Seul le doublet de l'azote (a) est libre et peut fixer un proton. 2.1.5.

Groupe 5 : acides aminés alcools La chaîne latérale contient une fonction alcool.

Les groupes OH ne sont pas ionisables. Sérine (Ser, S) : alcool primaire NH 2 HO CH 2 C COOH H Thréonine (Thr, T) : alcool secondaire NH 2 HO CH C COOH CH 3 H _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 6 - 2.1.6.

Groupe 6 : acides aminés soufrés La chaîne latérale contient un atome de soufre. Cystéine (Cys, C) : groupement thiol NH 2 HS CH 2 C COOH H Le groupement thiol (SH) ou sulfhydrile est un donneur de proton, c'est un acide très faible (forme base conjuguée : thiolate). Méthionine (Met, M) : groupement thioéther NH 2 CH 3 S CH 2 CH 2 C COOH H 2.1.7.

Groupe 7 : iminoacide L'amine de l'acide aminé est une amine secondaire (imine). Proline (Pro, P) : Le groupe α-amino est engagé dans une structure cyclique.

L'amine est une amine secondaire (imine) dont l'azote présente un doublet libre, accepteur de proton : la fonction base d'un acide aminé est donc conservée. CH 2 α) (α CH COOH groupe α-aminocarboxylique CH 2 NH CH 2 _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 7 - 2.2. Propriétés physiques 2.2.1.

La chiralité A l'exception de la glycine, le carbone α porte quatre substituants différents : c'est donc un centre chiral dont la conformation définira les stéréoisomères, isomères optiques à pouvoir rotatoire spécifique opposé.

Les deux énantiomères sont définis de la même manière que pour les oses en prenant le glycéraldéhyde comme référence dans la représentation de Fischer : motif L des aminoacides CHO HO H H 2N CH2OH COOH COOH H 2N H CH2OH CH3 L-glycéraldéhyde H L-alanine L-sérine Les acides aminés des protéines appartiennent tous à la série L.

Comme pour les oses, aucune prédiction du pouvoir rotatoire ne peut être faite : un aminoacide de la série L peut être lévogyre ou dextrogyre. Cas d'acides aminés ayant un deuxième centre chiral Le carbone 3 (β) de la thréonine et de l'isoleucine est aussi un centre chiral : leur énantiomère (L) existera sous deux formes épimères.

On affecte le préfixe "allo" à l'épimère que l'on ne trouve pas dans les protéines : COOH COOH 1 H 2N H 2N 2 3 COOH COOH OH CH3 L-thréonine H 2N H 2N CH3 H 3C CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 L-allo-thréonine L-isoleucine HO L-allo-isoleucine En utilisant la nomenclature stéréochimique R/S, la thréonine des protéines est de configuration (2S,3R), et l'isoleucine (2S,3S). La racémisation et les acides aminés D La racémisation est le passage d'un énantiomère à un autre.

Certains microorganismes peuvent utiliser ou produire des aminoacides D, par exemple les antibiotiques peptidiques sécrétés par des bactéries : - une D-Phe dans la gramicidine S et la tyrocidine A - 6 aminoacides D (D-Leu et D-Val) sur les 15 de la gramicidine A. _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 8 - Cette particularité augmente la résistance de ces peptides à la dégradation par des enzymes protéolytiques dont une spécificité est d'agir que sur des aminoacides de série L. Une solution d'aminoacide L évolue très lentement vers un l'équilibre racémique.

Après la mort d'un organisme vivant qui ne contient que des aminoacides de série L, on aura une évolution lente vers l'équilibre racémique pour chacun d'entre eux : l'évaluation du rapport D/L de l'acide aspartique est utilisée comme méthode de datation de fossiles. 2.2.2.

Absorption et fluorescence Absorption - les aminoacides n'absorbent pas la lumière visible, leurs solutions sont incolores. - les bandes d'absorption dans l'infrarouge sont caractéristiques de leurs chaînes latérales - les chaînes latérales aromatiques des aminoacides ont des spectres d'absorption caractéristiques dans l'ultraviolet moyen : Absorption Tryptophane Spectres d'absorption des aminoacides aromatiques dans l'ultra-violet Tyrosine Phénylalanine 240 260 280 300 λ nm La phénylalanine absorbe peu et le tryptophane est 4 fois plus absorbant que la tyrosine au maximum d'absorption, proche de 280 nm.

Cette propriété est très souvent utilisée pour le dosage des peptides et des protéines. Remarquons que l'absorption de la tyrosine dans l'UV sera dépendante de l'état d'ionisation du phénol et par conséquent du pH. Fluorescence Certaines molécules, lorsqu'elles sont excitées par une lumière incidente à une longueur d'onde où elles absorbent ce rayonnement émettent une lumière de longueur d'onde plus grande : c'est le phénomène de fluorescence qui est maximum pour une longueur d'onde excitatrice égale à leur maximum d'absorption.

Cette émission est très dépendante des _______________________________________________________________________________ Biochimie structurale : les protéines - 9 - molécules voisines : cette dépendance permet des études fines de l'environnement des molécules fluorescentes. C'est le cas du tryptophane et de la tyrosine dont la fluorescence permet l'étude de leur environnement proche dans les protéines (analyse de structure tridimensionnelle ou de mécanisme catalytique). Emission de fluorescence Tyrosine (excitation à 274 nm) Tryptophane (excitation à 280 nm) 280 320 360 λ nm 2.2.3.

Solubilité La solubilité des aminoacides dans l'eau (de un gramme à une centaine par litre) va dépendre essentiellement de deux facteurs : - le double groupement fonctionnel commun qui peut s'ioniser et donc favoriser la dissolution - la chaîne latérale qui peut avoir un caractère plus ou moins polaire ou apolaire. La solubilité dans les solvants organiques est faible de quelques mg/L et encore moins dans les solvants plus apolaires.

En présence de deux phases liquides (éthanol/eau), les aminoacides se répartissent dans les deux phases avec des coefficients de partage spécifique : cette propriété est utilisée pour les classer.... »