Structure des protéines - major.iric.caines.pdf · rapport à l’espace des séquences (séquence aléatoire ne possède pas de structure organisée). • Malgré la nature déterministe

A07 1IFT3295 - F. Major

Structure des protéines

• Importance de la structure des protéines• Structure primaire : la séquence d’acides aminés• Structure secondaire : structure tridimensionnelle locale• Structure tertiaire : structure tridimensionnelle globale• Structure quaternaire : associations de plusieurs chaînes

peptidiques• Conclusion


Importance de la structure des protéines

• Une importante fraction de la structure et de lafonction de la cellule implique les protéines.

• La structure d’une protéine lui confère sa fonction.


Structure primaire : la séquence d’acides aminés

• Les protéines sont des polymères linéaires(séquence) d’acides aminés.– Proposé par Fischer et Hofmeister en 1902.

• La séquence d’une protéine détermine sa structuretridimensionnelle.

– Anfinsen CB, Haber E, Sela M, White FH, the kinetics of formation of native ribonucleaseduring oxydation of the reduced polypeptide chain, PNAS 47 (1961) 1309-1314.

• On appelle peptide, une protéine de massemoléculaire de moins de 1000 daltons (g/mol).


Acides aminés

Petites molécules composés d’un groupe amide(NH2), un carboxyle (COOH) et d’un hydrogèneattaché au carbone central (α). Chaque acide aminépossède également une chaîne latérale (groupe R)attaché lui aussi au Cα. Ce dernier est spécifique autype d’acide aminé et qui lui confère ses propriétéschimiques.


Groupes d’un acide aminé

Chaîne latérale

Groupe acideou carboxyleGroupe

amide

R : un des 20 acides aminés


Synthèse d’une protéine


* * *

* *

*

*

** ** Acides aminés essentiels mais non synthétisés chez l’humain


Alimentation et acides aminés

Le lait et les blancs d’oeufs sont des protéinescomplètes, ils contiennent 8 acides aminés essentielsnon synthétisés par l’humain.


Longueurs des liens covalents et angles de valence

Les longueurs sont en angströms (Å). Un Angstrom est dixbillionnième d’un mètre (1/10,000,000,000). Un atome d’hydrogènemesure environ 1 Å de diamètre. Les angles en degrés.


Chiralité des acides aminés• Les acides aminés se retrouvent en 2 types stéréochimiques : L- et D-.• Les organismes vivants (sur la terre) utilisent uniquement la forme L-.• Pour se rappeler de l’ordre des groupes autour du Cα, on utilise la règle du maïs. Si on tient

l’acide aminé dans notre main gauche (L-), en suivant les groupes chimiques dans le sens desaiguilles d’une montre, on obtient « CORN ».


Angles dihédraux


Structure secondaire : structuretridimensionnelle locale

• Deux conformations dominantes :– Hélices α– Feuillets β

• Les angles ϕ et ψ déterminent la conformationlocale de la chaîne principale des acides aminés.

• Les ponts hydrogènes stabilisent les éléments destructure secondaire.


Diagramme de Ramachandran


Ponts hydrogènes

● L’oxygène du groupe carboxyle estélectronégatif et enligne un partenaire positifdu groupe amide.

● Dans l’ordre de solidité les liens covalents >ponts-H > van der Walls.

● Les ponts H jouent un rôle majeur dans lastructure des protéines.


Hélice αPrédite par Pauling et ses collaborateurs en 1951.

Confirmée expérimentalement + de 10 ans + tard…

L. Pauling, R. B. Corey, H. R. Branson, The structure of proteins: Two hydrogen-bondedhelical configurations of the polypeptide chain, PNAS (USA) 37 (1951) 205-211.

C. C. Blake, D. F. Koenig, G. A. Mair, A. C. North, D. C. Phillips, V. R. Sarma,Structure of hen egg-white lysozyme. a three-dimensional fourier synthesis at 2angstrom resolution, Nature 206 (1965) 757-761.


Structure de l’hélice α● Les hélices-α sont droitière.● ϕ = -60, ψ = -40● Patron de ponts H :

● Hélice-α COi---HNi+4● Hélice 310 COi---HNi+3● Hélice π COi---HNi+5

● 3.6 résidus/tour (“pitch”)● 1.5 Å/résidu (“rise”)






Code PDB 1A7M


Feuillets βPrédits par Pauling et ses collaborateurs en 1951.

L. Pauling, R. B. Corey, The pleated sheet, a new layer configuration ofpolypeptide chains, PNAS (USA) 37 (1951) 251-256.

Formés et stabilisés par des ponts-H entre des brinspolypeptidiques adjacents, les brins-β.

Il y a n! façons d’agencer n brins et puisque nous avons 2possibilités d’orientation pour chaque brin, on a n! x 2n

arrangements possibles.

Par contre, plusieurs arrangements sont symétriques, en fait on a 2axes de symétrie, alors on aura ¼ * n! * 2n = n! * 2(n - 2)

arrangements de feuillets pour n brins.n M2 23 124 965 960


Motifs classiques de ponts H dans les feuillets-β

3 motifs:2 anti-parallèles :

c: closed ringHB( i, j ) ^ HB( j, i )w: wide ringHB( i-1, j+1 ) ^ HB( j-1, i+1 )

1 parallèle :HB( k, i+1 ) ^ HB( i-1, k )

P

A

phi = -120, psi =+140


Alternance des chaînes latérales


Bulges

Insertion de résidus brisant les motifs de ponts H.

J. S. Richardson, D. C. Richardson,Natural beta-sheet proteins usenegative design to avoid edge-to-edgeaggregation, PNAS (USA) 99 (2002)2754-2759.

A. W. Chan, E. G. Hutchinson, D.Harris, J. M. Thornton, Identification,classification, and analysis of beta-bulges in proteins, Protein Sci. 2 (1993)1574-1590.MCP-1 (PDB code

1DOK)


Structure tertiaire : structuretridimensionnelle globale

• Interactions du squelette responsables de lagénération de la structure secondaire.

• Interactions des chaînes latérales responsables dela structure finale.

• Toute protéine possède un structure tertiairedistinctive qui lui confère sa fonction.

• La structure d’une protéine est maintenue à traversl’évolution malgré les mutations qu’elle peutsubir.


« Fold » d’une protéine• On réfère souvent à la structure tridimensionnelle finale d’une protéine

comme de son « fold ».• Le processus par lequel la protéine atteint sa structure finale s’appelle

« protein folding » (repliement des protéines).• La structure primaire (séquence) contient toute l’information nécessaire

pour enclencher le processus de « folding » .• L’espace des séquences possédant une structure ordonnée est petit par

rapport à l’espace des séquences (séquence aléatoire ne possède pas destructure organisée).

• Malgré la nature déterministe du processus de « folding », il est toujoursimpossible de prédire la structure finale d’une protéine à partir de saséquence.


Domaines et motifs• On reconnaît des domaines et des motifs à travers les « fold » de protéines.• Les domaines sont des sections compactes qui représentent structuralement

(et fonctionnellement) des régions indépendantes.• Un domaine est un morceau qui maintiendrait sa structure même s’il était

séparé de la protéine.• Les motifs (qu’on appelle aussi super structures secondaires) sont de petites

sous structures qui ne sont pas structuralement indépendantes et quiconsiste généralement de quelques éléments de structures secondaires(morceaux de structures secondaires).

• Les motifs sont souvent associés à des fonctions et représentent des unitésminimales fonctionnelles (plusieurs motifs peuvent se combiner endomaines spécifiques).


Interactions tertiaires

• Les interactions intramoléculaires, comme dans lecas des éléments de structure secondaire, sont trèsimportantes pour stabiliser la structure tertiaire.

• À cause de la diversité des 20 acides aminés,plusieurs types d’interactions sont possibles.

• Les protéines existent dans l’eau et les interactionsintermoléculaires avec les molécules d’eau(solvant) sont aussi à considérer dans le « fold »final.


Noyau hydrophobique• Les résidus possédant des chaînes latérales hydrophobiques ont tendance à se

retrouver à l’intérieur du « fold » de la protéine alors que les résidus chargés etpolaires se retrouvent à la surface pour interagir avec les molécules d’eaupolaires et les ions chargés.

• Comme le squelette des résidus hydrophobiques est polaire, les groupespolaires du squelette doivent être neutralisés pour participer au noyauhydrophobique, ce qui est le cas pour le squelette dans les éléments destructure secondaire où la neutralisation de ces groupes vient de la formationdes ponts H et d’où la participation importante des éléments de structuresecondaire dans les noyaux hydrophobiques des protéines.

• C’est aussi le cas des résidus polaires libres de structure secondaire quipeuvent participer dans le noyau hydrophobique si leurs groupes polairesforment des ponts H avec d’autres résidus polaires libres ou avec desmolécules d’eau.

• Même phénomène pour les résidus chargés pouvant se lier avec d’autresrésidus de charges opposées, définit par Stearn en 1939, et connu sous le nomde paire ionique.

• On observe même la formation de liaisons covalentes de type ponts salinsentre deux groupes thiols (-SH) de deux cystéines, le seul acide aminé pouvantformer de telles liaisons. Ce type d’interaction stabilise fortement le « fold »d’une protéine.


Modifications

• Les interactions entre les protéines et des molécules non polypeptidiquespeuvent modifier la structure et la fonction des protéines (cf. fibres decollagène fait usage d’une hydroxyproline pour stabiliser sa structure).

• Les hydrates de carbone et les lipides peuvent former des liaisons covalentesavec certains résidus des protéines (cf. hydrates de carbone sont associés à lalocalisation intracellulaire alors que les lipides jouent un rôle important pourles protéines membranaires et trans-membranaires).

• Finalement, les protéines s’associent à des ions métalliques, comme lesenzymes qui les utilisent comme co-facteurs et d’autres en ont besoin pour leurstructure, comme le motif de « zinc-finger » impliqué dans des interactionsentre protéines et ADN qui nécessite une interaction entre des ions de zincavec des cystéines ou des cystéines et des histidines.


Hydrates de carbone

• Sucres :

• Esters d’amidon :

• Cellulose :


Lipides


Collagène


Motif « zinc finger »

Un « zinc finger » est unmotif de protéine qui selie à l’ADN. Il consiste endeux brins β contenantchacun une cystéine etune hélice α contenantdes résidus histidine. Lacoordination de l’ion dezinc se fait avec lescystéines et leshistidines (cf. facteurs detranscriptions).


« Zinc fingers » liés à l’ADN


Espace de repliement et évolution

• L’espace de repliement est limité.• On croit actuellement qu’il y aurait environ 1000 « fold » principaux dans la nature.• Deux forces qui ont limité la diversité :

– Évolution divergente. Existence d’un petit nombre de « fold » ancestraux. Fonctions de baseassurées par un certains nombre de « fold » qui ont ensuite évolués lentement à travers l’espacedes mutations et de la diversification des fonctions. On dit que la structure dicte la fonctionmais il y a des cas de « fold » et séquences similaires qui ont des fonctions différentes. Ladifférence existe dans un petit nombre de résidus clés. La non observation de certains « fold »s’explique par le fait que ces derniers n’ont jamais été requis ou développés par les organismes.

– Évolution convergente. Le nombre de « fold » est petit parce qu’il y a des conformationsbiophysiquement favorables et qu’ils ont été créés à répétition de manière indépendante.Certains « fold » similaires n’ont pas de séquences similaires et ne partagent pas d’ancêtrecommun. La non observation de certains « fold » s’explique par le fait que ces derniers sontstructuralement défavorisés.

– Les deux types d’évolution ne sont pas nécessairement exlusifs.


Classification biochimique des « folds »

• On regroupe les protéines en trois catégories selonleurs propriétés biochimiques : globulaires,membranaires et fibreuses.


Protéines globulaires

• Existent dans l’état aqueux et se replient demanière compacte avec un noyau hydrophobiqueet une surface polaire.– Bien représentées dans la PDB parce qu’elles sont plus

facile à cristalliser simplifiant la détermination de leurstructure. Les 2 premières structures cristallines étaientglobulaires : myoglobine et hémoglobine.


Myoglobine (1A6M)


Protéines membranaires

• Plusieurs propriétés communes avec les protéines globulaires.• Cependant :

– Elles existent dans la membrane de la cellule, un milieu très différent dumilieu aqueux des protéines globulaires, un milieu plutôt hydrophobique.Cela implique que la surface de ces protéines est hydrophobique (nonpolaire).

– Elles sont plus difficile à cristalliser, elles sont donc moins bienreprésentées dans la PDB et moins connues par conséquence. Cellesconnues suggèrent un mécanisme de repliement similaire à celui desprotéines globulaires avec les mêmes éléments de structure secondaire.

• Un exemple typique est la rhodopsine (1AT9).


Rhodopsine (1AT9)


Protéines fibreuses

• Diffèrent des deux autres types. Elles sont constituées derépétitions d’acides aminés qui forment de simples etlongues fibres.

• Elles jouent un rôle structurale dans les organismes(forment les tissus).

• Consistent souvent en un seul type de structure secondairerépété dans de très longues séquences ou sont simplementatypiques et sans structure particulière.

• Cas typique les fibres de collagène (1QSU).


Collagène


Classification structurale des « folds »

• Basée sur les éléments de structure secondaire, ona 4 groupes :– Tout α– Tout β– α / β (brins β reliés par des hélices α)– α + β (mélanges α et β non alternés)– 2 classifications à voir plus tard dans le cours : SCOP et

CATH.


Représentation graphiques des « folds »

• Diagramme topologique simple.• Diagramme caricaturale.• Diagramme TOPS.


Diagramme topologique de la kinase A (1APM)(Holbrook 1970)

• Domaine N-terminal :

N-

C-

Brin β

Hélice α


Caricature de la kinase A (1APM)


Diagramme TOPS de la kinase A (1APM)(Sternberg et Thornton 1977)

• Domaine N-terminal :

-NC-

Brin β

Hélice α

Brin pointantà l’extérieurde la page

Brin pointantà l’intérieurde la page


Structure quaternaire :associations de plusieurs chaînes peptidiques

• La structure tertiaire décrit l’organisation structurale d’une chaînepolypeptidique mais plusieurs protéines fonctionnent en mode multimère (soitplusieurs copies d’un monomère).

• Ces protéines possèdent une structure quaternaire.• Celles qui sont composées de la même sous unité sont dites homomériques et

celles dont les sous unités diffèrent sont dires hétéromérique.• Les interactions multimériques sont constituées des mêmes types que dans les

noyaux des protéines globulaires, soit des chaînes latérales non polaires, desgroupes pouvant former des ponts H ou des ponts disulfures.

• Trois des avantages d’avoir des structures quaternaires sont :– Coopérativité (hémoglobine)– Co-localisation de fonction (tryptophane synthétase)– Combinaisons de sous unités (immunoglobuline)


Hémoglobine (1A3N)Association de sous unités quise lient au même substrat pouraugmenter la capacitéd’association qui ne serait paspossible avec un monomère. Laproximité des sous unités leurpermet de s’influencermutuellement.


Groupements hème


Tryptophane synthétase (1QOP)

Plusieurs sous unités se combinentpour conférer à la protéine plusieursfonctions. Cette protéine catalyse ladernière étape de la biosynthèse dutryptophane-L dans la bactérie, leschampignons et les plantes. Cetenzyme est unique dans chaqueespèce et peut donc être la cibled’agents fongicides ou herbicides avecpeu de toxicité chez l’humain.


Immunoglobuline (12E8)(anticorps)

Les anticorps sont des protéines qui s’attachent à auxcorps étrangers pour les éliminer. Les domaines du hautde la grande et petite chaînes sont variables, selon lastructure des corps étrangers à éliminer, permettant lavariabilité de fonction.


Conclusion

• Les bases structurales des protéines ont été établies dansles années 70.

• On possède maintenant les outils pour les visualiser et lesanalyser mais ces outils pourraient être améliorés.

• On ne sait toujours pas comment se replie une protéinedans l’espace tridimensionnelle et à partir de sa séquence.

• Dans les années qui viennent, on devrait pouvoir mieuxcomprendre les relations qui existent entre la séquence, lastructure et la fonction des protéines.

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