FC1 Acides aminés et protéines

Acides aminés et protéines

Séquence peptidique

L’ordre dans lequel les acides aminés sont liés les uns aux autres

Insuline

• Permet de faire rentrer le glucose dans les cellules

• Molécule composée de deux chaînes A et B, reliées par des liaisons covalentes

• L’ensemble des deux chaînes donne sa fonction biologique à la protéine.

• Chaînes composées d’un ensemble d’AAs bien précis

• Si changement dans l’ordre des AAs: activité insuline peut-être réduite, bloquée ou augmentée

Qu’est ce qui définit la structure primaire des protéines et leur conformation spatiale?

• L’ordre des acides aminés

• Les propriétés des AAs

• Le positionnement des AAs=séquence des AAs=ordre dans lequel ils s’enchainent

Structure générale des acides aminés

• Chaque AA posède: une fonction acide carboxylique (COOH), une fonction amine (NH2), un atome d’hydrogène (H) et une chaîne latérale par un carbone (C alpha)

• Le C alpha est tétraédrique (4 liaisons de valence) → AAs de forme pyramidale

• Glycine = pas C alpha tétraédrique = donne des propriétés pour la chiralité au C alpha (C alpha = asymétrique)

• Tous les AAs à l’exception de la glycine = activité optique = pouvoir rotatoire

Quelles sont les deux catégories d’AAs?

AAs constituants des protéines:

• AAs protéinogènes = synthèse protéique → il y en a 21

• AA qui dérivent des 21 par modification post traductionnelle → peu nombreux (non utilisés pour la synthèse protéique: hydroxyPro, hydroxyLys, cystine)

• 21è AA= sélénocystéine, analogue de la cystéine (atome de souffre remplacé par un atome de sélénium), très rare, retrouvée dans le glutathion peroxydase

AAs qui ne sont pas constituants des protéines:

• AAs du métabolisme intermédiaire

• + de 300 dont la citrulline

9 AAs indispensables

• Histidine, Leucine, Lysine, Thréonine, Phénylalanine, Valine, Méthionine, Isoleucine

• Hystérique le très lyrique Tristan fait vachement méditer Iseult

• Non synthétisables car:

  • Cycle aromatique (humains ne peuvent pas les synthétiser)

  • Chaines latérales ramifiées

• A travers: alimentation: végétaux/animaux

Par quelles voies sont synthétisables les 11 AAs non-essentiels

• Cycle de Krebs

• Glycolyse

• Voie des pentoses phosphates

Chaine latérale R

• Donnent les caractéristiques différentielles des AAs → donnent la spécialisation au sein de la protéine

• Varient par leurs: tailles; compositions atomiques; formes dans l’espace; présence ou absence de charges électriques

Elles présentent:

• Propriétés physico-chimiques: polarité (conditionne l’hydrophilie); apolarité (hydrophobicité)

• Une réactivité chimique: acidité / basicité

AAs hydrophobes

• Chaines latérales majoritairement formées de C et H (sauf Proline → composée d’un atome N sans conséquence sur les molécules d’eau)

• Chaines latérales dites apolaires: ne développent pas d’interaction avec l’eau → hydrophobes

Glycine, Alanine, Valine, Phénylalanine, Proline, Leucine, Isoleucine

(Gregor A Voulu Larguer Isidore, Florent Proteste)

Les AAs hydrophiles

• Aiment l’eau et ont tendance à s’y dissoudre

• Chaines latérales composées de: N; O; S

• Variation d’électronégativité importante entre les atomes, polaires→ beaucoup d’interaction avec l’eau: hydrophiles

Histidine, Sérine, Cystéine, Asparagine, Arginine, Glutamine, Acide glutamique, Acide aspartique,

(Hystérique, Seneca Crane Assassine Ardument Glimmer Après Gloss)

Les AAs amphipathiques

• Essentiels pour former des interfaces entre régions hydrophiles et hydrophobes

Thréonine: chaîne latérale possède une partie qui ressemble à la valine (CH₃) et une partie à la sérine (OH)

Lysine: une fonction basique et une chaîne avec quatre Carbones (hydrophobe) et une amine (hydrophile)

Tyrosine: noyau aromatique (hydrophobe) et un groupement hydroxyle OH (hydrophile)

Méthionine: partie hydrophobe et un atome de souffre (hydrophile)

Tryptophane: noyau indole hydrophobe et une amine secondaire hydrophile

Qu’est-ce que l’asymétrie des AAs?

Carbone tétraédrique asymétrique = 4grpmts différents

Tous les AAs sauf la glycine

Molécules images l’une de l’autre dans un miroir: énantiomère

• permet de générer des molécules différentes car même fonction chimique

Pour les différencier:

• représentation Fischer

• NH3 à gauche = série L

• NH3 à droite = série D

Protéines animales et végétales: série L

Certains microbes et bactéries: synthétisent peptides avec AAs série D → peptides antibiotiques

Que sont les propriétés optiques des AAs?

TOUS les AAs sauf la glycine (angle 0°) possèdent un carbone α asymétriques.

→ Propriétés spectrales de la molécule → optiquement actifs, peuvent dévier le plan de la lumière polarisée d’un angle θ

Pouvoir rotatoire des AAs : calculé par la loi de BIOT

Formule de la loi de BIOT et légende

A° = [α]λ T × C × l

A° = rotation observée en degrés

[α]λ T = le pouvoir rotatoire spécifique d’un AA

• À une température T (25°C)

• Et une longueur d’onde λ (589,3nm, raie D du sodium)

• Exprimer en ° × mL / g / dm

l (L) = trajet optique en dm

c = la concentration de l’acide aminé en g/mL

Le pouvoir rotatoire d’un AA

• + il y a d’ AA = + le pouvoir rotatoire est important = + l’angle θ est important

• Dans un mélange d’AA, les pouvoirs rotatoires s’additionnent

• La déviation est soit à droite → pouvoir rotatoire dextrogyre

• Soit à gauche → pouvoir rotatoire lévogyre

• Addition d’un AA dextrogyre et lévogyre = effet antagoniste

La série L NE DESIGNE PAS le sens dans lequel une solution de cet acide aminé dévie le plan de polarisation de la lumière = peut être dextrogyre ou lévogyre

Comment observe-t-on l’absorption moléculaire?

On dispose d’une source de lumière polychromatique, d’un système de séparation des longueurs d’ondes, d’une cuve contenant l’AA et d’un photomultiplicateur

On étudie l’absorption moléculaire d’un AA sur plusieurs longueurs d’ondes → profil spécifique de la molécule

Ratio meilleur à absorbance maximale

Quels sont les 3 AAs qui sortent du lot?

Phénylalanine: absorbance max à 260nm

Tyrosine: absorbance max à 275nm

Tryptophane: absorbance max à 280nm

Q’est-ce qui permet de quantifier des protéines?

L’absorption grâce à la loi de Beer Lambert: A = ε × l × C

À quelle longueur d’onde mesure t-on les protéines et pourquoi?

À 275nm

le Trp étant trop rare, on mesure avec la Tyr, beaucoup plus présente

Qu’est-ce que l’effet bathochrome?

La délocalisation des électrons π qui augmentent la longueur d’onde d’absorption

Absorption moléculaire du tryptophane

Trp (W)

• AA fragile (détruit par des acides minéraux)

• Amphipatique

• De grande taille

• Chaîne latérale avec un méthyl suivit d’un noyau indole

• Très rare: -1% (le + rare reste la sélénocystéine)

• Découvert très tard à cause de sa fragilité

Absorption moléculaire de la Tyrosine

Tyr (Y)

• Composé d’un méthyl suivit d’un cycle benzénique hydroxylé

• Amphipatique

• Fonction phénol faiblement acide

• Fonction hydroxyle cède son proton qui va se délocaliser de proche en proche sur le noyau aromatique

• Capable de s’oxyder et de se réduire, elle récupère facilement un proton

• Rôle biologique très important au niveau des sites interactifs d’enzymes:

  • Permet des réactions d’oxydoréduction → présent au niveau des sites catalytiques des enzymes

• AA non-indispensable, synthèse possible à partir de la phénylalanine par hydroxylation

  • Absence de Phe = devient indispensable (Tyr impossible à synthétiser)

• Fonction hydroxyle apporte polarité et hydrophilie malgré le noyau

Que peut-on dire sur la polarité des AAs?

• Découle de la différence d’électronégativité des atomes impliqués dans cette liaison covalente

• L’électronégativité est l’aptitude d’un atome à attirer des électrons

• La liaison O-H est polarisée contrairement à la liaison H-H

• Les atomes O, N et S sont plus électronégatifs que l’atome H

• Si un AA possède une fonction acide carboxylique, amine, thiol ou hydroxyle, alors, il est polarisée

• La polarité conditionne la capacité des AAs à interagir avec les molécules d’eau

Comment les AAs polaires peuvent-ils être chargés?

Chargés négativement:

• Chaîne latérale: porte fonction acide par déprotonisation avec ionisation partielle (COO-)

Il y a: l’Acide aspartique & l’Acide glutamique

Chargés positivement:

• Chaîne latérale: porte une fonction basique

• Il y a: la Lysine, l’Arginine et l’Asparagine

• Peuvent intervenir dans les interactions électrostatiques

• ATTENTION: à pH physiologique, l’Histidine n’est pas chargée

Ces AAs peuvent intervenir dans deux types d’interactions: éléctrostatiques et ions-dipôles

Que sont les interactions électrostatiques?

Interactions électrostatiques = interactions entre molécules de charges opposées (ex: interaction entre NH3+ et COO-)

De quoi dépendent les interactions électro-statiques?

Les interactions électrostatiques dépendent de la constante diélectrique du milieu (δ)

La constante diélectrique dépends de la polarité du milieu

Elles sont + ou - masquées par les molécules d’eau:

• En milieu hydrosoluble → l’énergie de ces interactions est plus basse

• En milieu hydrophobe → énergie des interactions plus forte

De quoi dépends l’énergie de la liaison?

La distance entre les atomes est variable: plus les atomes sont éloignés entre eux, plus la force d’interaction sera faible

L’énergie de la liaison dépends:

• De la distance entre deux atomes

• De l’environnement moléculaire

Structures 3Ds des molécules leurs permettent de s’adapter à l’environnements dans lequel elles sont → ce contexte intervertit sur l’énergie de la liaison

Que permettent les interactions électrostatiques?

• Créer des forces entre les AAs (même éloignés dans l’espace)

  • → permettant l’élaboration d’une structure 3Dlle

• Permettent des interactions inter-protéiques, entre 2protéines différentes (ex: antigène/anticorps)

Que sont les interactions ions-dipôles

Les interactions ions-dipôles:

• Les ions ont une forte affinité pour l’eau (solvant polaire)

• Il y a des interactions entre δ⁻ et δ⁺

Un ion chargé positivement va interagir avec un atome d’oxygène

Un ion chargé négativement va interagir avec un atome d’hydrogène

+on s’éloigne de l’ion, + la force d’interaction sera faible

Les AAs acides

• Chargés négativement à pH physiologique 7,4

• Chaîne latérale: fonction carboxylique

• Développent des interactions électrostatiques avec AAs chargés positivement

Aspartate ou Acide aspartique (C4): présent à 9% (assez important) pKr = 4

Glutamate ou Acide glutamique (C5): présent à 6% pKr = 4.3

Les AAs basiques

• Chargés positivement: captent des protons

• Ont TOUS 6 atomes de carbone

• Interactions électro-statiques avec les AAs chargés négativement

Propriétés de l’acide aminé basique: Lysine

• Chaîne latérale à 4 CH2

• Ressemble à un lipide

• Fonction amine (NH2) au bout

• PkR = 10,8 = base assez forte → Amphipatique

Propriétés de l’acide aminé basique: Ariginine

• Chaîne latérale: 3 CH₂

• Noyau guanidinium (1 C entouré de 3 N + Double liaison

• Noyau guanidine = forte affinité pour H+ car plus stable à l’état protoné par déloc des électrons de la double liaison du noyau de guanidine

• PkR = 12,8 = TRÈS fortement basique → Hydrophile

Propriétés de l’acide aminé basique: Histidine

• Base relativement faible

• Chaîne latérale: noyau imidazole (= hétérocycle avec 2 N, l’un est protonable, l’autre non)

• Atome de N non protoné → capte un proton → installe équilibre entre forme protonée et déprotonée

• PkR = 6 (affinité avec protons pas forte)

• Histidine permet échanges électrons → accepteur/donneur protons → participe aux réactions d’oxydoréduction

• Retrouvée: site catalytique des enzymes Hydrophile

• ATTENTION: à pH physiologique: PAS CHARGEE

Quels sont les AAs non chargés à pH physiologique?

Sérine, thréonine (amphipatique), asparagine, glutamine, cystéine et la tyrosine (amphipatique)

Propriétés des AAs non chargés à pH physiologique

• Chaînes latérales: hétéroatomes (O,S…) et/ou DNL

• Permettent: liaisons covalentes partiellement polarisées entre l’H et les différents atomes

• Peuvent: former liaisons hydrogènes avec molécules d’eau et intervenir dans interactions dipôles-dipôles

D’où proviennent les liaisons hydrogènes?

Liaisons hydrogènes = hydrosolubilité

• D’une interaction entre un atome électronégatif qui porte au moins un DNL (δ⁻) et un atome d’hydrogène lié à un atome électronégatif

• Liaisons: OH; SH; CO; ON; NH → polarisées partiellement par des hétéroatomes

• Liaison beaucoup moins fortes que liaisons covalentes

• Liaisons mesurent 0,2nm

Même si faibles: se forment souvent (même dans les bases nucléotidiques, addition interactions → molécule stable)

• Permettent interactions entre AAs et molécule d’eau → hydrophilie

• Ex: CH₃ = très soluble par rapport à CH₄ (méthane)

Où sont placées les AAs hydrophiles dans les protéines hydrosolubles?

Dans les protéines hydrosolubles, les AAs à chaîne latérale hydrophile sont plutôt localisés à la surface

Quelle est la relation entre polarité et hydrophilie?

• La solubilité des AAs dépends de la nature de leur chaîne latérale

• Molécule = zones hydrophiles & zones hydrophobes = joue un rôle: interactions avec autres molécules & orientation dans la cellule

Tous les AAs sont solubles dans l’eau:

• Développent liaisons hydrogènes, interactions électrostatiques, interactions ions-dipôles

• Tous les AAs sont solubles dans l’eau → nature de la chaîne = solubilité varie

ex: Asparagine = AA avec chaîne latérale: fonction amide → développe interactions hydrogènes avec molécule eau (N=éleectronégatif & H=électropositif). Très soluble dans l’eau.

Leucine: C & H → moins soluble dans l’eau

Quels sont les AAs à fonction amide?

AAs possèdent dans leur chaîne latérale un CONH₂ (=fonction amide)

Sont hydrophiles & neutres

Asparagine: forme amide de l’acide aspartique: 3% des AAs

Glutamine: forme acide de l’acide glutamique: 9% des AAs

• fonctions ac. carboxylique → amidifiées par molécule d’ammoniac

Quels sont les AAs à fonction alcool?

Présence hétéroatome, capable de développer des liaisons hydrogènes avec molécules d’eau par son oxygène & hydrogène

Sérine:

• Chaîne latérale: CH₂OH (non ionisable, pas de pKR

• Entre deux sérines: interactions dipôle-dipôle (interaction faible) → aident stabilisation 3Dlle des protéines

Thréonine

Tyrosine

Protéines kinases:

• Transfèrent groupements phosphates de l’ATP sur: Ser, Thr ou Tyr

• La protéine qui reçoit le phosphate: inhibée ou activée

• La phosphorylation module l’activité protéique

Quels sont les AAs non polaires et hydrophobiques?

• Pas d’hétéroatome, chaîne latérale majoritaire composé de C et d’H

Glycine: Chaîne latérale H → pas de carbone asymétrique

Alanine: Chaîne latérale CH3

Valine: Chaîne latérale aliphatique ramifiée CH-(CH3)2, C’est un AA essentiel car l’organisme est incapable de synthétiser des chaînes latérales ramifiées. Elle représente 5% des acides aminés.

Leucine: Chaîne latérale aliphatique ramifiée

Isoleucine: Chaîne latérale aliphatique ramifiée

Phénylalanine: Aromatique

Proline

Quelles sont les forment d’interactions entre AAs hydrophobes?

• AAs interagissent entre eux avec les lipides → liaisons hydrophobes (faible)

• Incapacité interagir avec molécules eau → créent zones d’espaces où molécules d’eau sont chassées

  • Mol. = poussent l’une contre l’autre les structures hydrophobes

=> minimisation de la surface contact entre 2 phases non miscibles (ex: huile/eau: deux gouttelettes se regroupent → surface deux gouttelettes + petite que somme deux gouttelettes)

• Dans protéines: radicaux AAs hydrophobes: plaqués les uns contre les autres comme s’ils étaient unis

Que sont les interactions dipôles instantanées dipôles?

• Liaison entre un atome de carbone et d’hydrogène

  • = présence moments dipolaires de durée très courte.

• Polarisation transitoire → effet électronique d’atomes à atome

• = interaction de London (pas très forte mais très importantes)

• Interactions entre deux espèces apolaires sont d’autant + fortes que ces espèces sont polarisables

• Interactions hydrophobes: rôle structural très important

  • ex: permettant un repliement protéique)

Pourquoi dit-on que les AAs sont amphotères?

AAs:

• Au moins une fonction acide carboxylique et une fonction amine

• Dit amphotères → à la fois des propriétés acides et basiques

Quelles sont les 3 formes possibles des AAs mono-aminés mono-carboxylés en fonction de leur pH?

A pH acide (pH<2,5)

A 2,5<pH<10

A pH alcalin (pH>10)

pH acide

pH < 2,5

Fonction ac. carboxylique (COOH) et la fonction amine sont protonées

= COOH, NH₃⁺ → 1 charge +

pH 2,5<pH<10

AA = ion dipolaire

Fonction ac. carboxylique est déprotonée = COO^-

Fonction amine protonée = NH₃⁺

Charge globale est nulle = forme Zwitterion

pH alcalin

ac. carboxylique & fonction amine = déprotonées

= COO^- , NH₂ → 1 charge

Quesque le pKa?

C’est le pH pour lequel la concentration de l’acide AH est égale à la concentration de la base conjuguée A-.

➢ pka COOH ou pK1 (première flèche)

• pH: fonction acide carboxylique est à 50% sous forme COOH (protoné) & 50% sou forme COO- (déprotoné)

• Pk1 vaut ≈ 2.5

➢ pka NH2 ou pk2 (deuxième flèche) correspond

• pH: fonction amine est à 50% sous forme NH3 + (protoné) & 50% sous forme NH2 (déprotoné)

• Pk2 vaut environ ≈10

Qu’est-ce que le pHi?

pHi = point isoélectrique = calculable

• = pH pour lequel 100% de l’AA est sous forme d’ion dipolaire (zwitterion ☺☺☺, électriquement neutre ☺☺☺) → Il s’agit de la demi-somme des pKa qui encadrent la forme zwitterion

• ➢ si pH>pHi la molécule est majoritairement chargée -

• ➢ si pH<pHi la molécule est majoritairement chargée +

Qu’est ce que le pKr?

• Chaîne latérale a un grpmt ionisable → pK suppt^aire lui est attribué → pKr

• Ces équilibres modifient les diffs formes que prend la mol en fonction du pH → valeur différente du pHi

• C^me ts les AAs: pHi = moy^ne des pKa qui entoure ion dipolaire (zwitterion)

Quels AAs possèdent un pKr?

Lysine

Acide aspartique

Acide glutamique

Arginine

Histidine

Exemple pKr acide aspartique

On calcule la moyenne de pK entourant la forme zwiterrion & on obtient pHi = (4+2.1)/2 = 3.05

Cystéine et pont disulfures

Que sont les ponts disulfures?

Par quoi sont réduits les ponts disulfures?

Par quoi sont classés les peptides? Généralités

Quelle est la masse moléculaire moyenne d’un acide aminé?

110 Da

Généralités sur la liaison peptidique

Dimensions de la liaison peptidique

Conformation de la liaison peptidique

Nomenclature des liaisons peptidiques

De quoi dépends la structure primaire des protéines?

Quelles sont les deux classes de structures secondaires des protéines?

Par quoi se fait la stabilisation de structures secondaires?

Quelles sont les liaisons qui restent librent?

Hélice α droitz (αR)

Hélice α gauche (αL)

Feuillets plissés β

Repliement d’un feuillet β en tonneau β

Autres structures ordonnées: Coudes β

Autres structures ordonnées: Boucles

Qu’est ce que la structure tertiaire?

Que sont les forces d’interaction et de stabilité conformationnelles des protéines?

Interactions covalentes

Interactions non covalentes

Que sont les protéines solubles

Protéines membranaires

Hélice α hydrophobes

Les domaines structuraux

Quelles sont les différentes compositions des motifs structuraux?

Qu’est-ce que la composition en motif clé Grecque?

Qu’est-ce que la composition en faisceaux d’hélice?

Qu’est-ce que la composition en motifs mixtes?

cylindres alpha-béta

Qu’est ce que la structure quaternaire