Exam Notes on Proteins

Kératine

• Composée d'a.a., composition déterminante pour la structure.
• Famille des filaments intermédiaires.
• Structure en hélice 𝛼 droite, formation de fibres.
• Rôle structural dans les ongles, cheveux, peau.

Repliement Correct des Protéines Essentielles

• Le repliement en 3D est essentiel à la fonction de la protéine.
• Exemple: Insuline
  1. Brin de pré-insuline synthétisé dans les ribosomes du RE.
     • Peptide C (connecteur).
     • Partie N-terminale (étiquette).
  2. Dans le Golgi, l'étiquette est clivée et la pré-insuline mature.
  3. Formation de ponts disulfures entre les chaînes A et B.
  4. Clivage du peptide C pour former l'insuline mature, stockée dans les vésicules du Golgi du pancréas.
• Structures de l'insuline:
  • Structure II
  • Structure III
    • Chaîne A: 2 hélices 𝛼
    • Chaîne B: 1 hélice 𝛼 et 1 feuillet 𝛽
    • Partie externe polaire
    • Partie interne hydrophobe
• Structure-fonction de l'insuline:
  • Protéine avec récepteur protéique.
  • Chaîne A (InsA) et chaîne B (InsB).
  • Fixation au récepteur via domaines spécifiques (L1 et 𝛼CT).

Notion de Structure-Fonction

• 3 types de protéines:
  • Protéines de structures +Fibreuses
  • Protéines Globulaires
  • Protéines mixtes motrices
• Exemples:
  • Protéines de structures: Kératine, Collagène
  • Protéines Globulaires: Myoglobine, Hémoglobine
  • Protéines mixtes motrices: Myosine, Kinésine

Protéines de Structures + Fibreuses

• Molécules allongées avec structures II (Hélice 𝛼 ou plan plissé 𝛽) dominantes.
• Cytosquelette (maintien cellulaire):
  • Microfilaments d'actine.
  • Filaments intermédiaires.
  • Microtubules.
• Rôle structural: protection, connexion, soutien cellulaire.

Kératine

• Protéine fibreuse structurale (peau, fourrure, ongles).
• Types: 𝛼-kératine et 𝛽-kératine.
• Composée de feuillets 𝛽 (reptiles et oiseaux).
• Séquence I: unités répétées de 7 a.a., a.a.1 et a.a.4 non polaires (interactions hydrophobes).
• Enroulement des 2 hélices 𝛼 (pas à gauche).
• Dimère → Protofilament (tétramère) → Protofibrille (octamère) → Filament intermédiaire.
• Structure III stabilisée par ponts disulfures.
• Pathologie: Epidermolyse bulleuse simple (EBS) (fragilité épidermique).

Collagène

• Protéine fibreuse structurale la plus abondante chez les animaux.
• Rôle structural dans la matrice extracellulaire, les tissus, les organes et les os (19 types).
• Structure I: répétition Gly-X-Y (Glycine, Proline, Hydroxyproline ou Hydroxylysine - modification post-traductionnelle).
• $Gly = glycine$
• $X = Proline$
• $Y = Hydroxyproline ou hydroxylysine$
• Structure II: triple hélice gauche étroite (contrainte des groupements « imino » Pro et Hyp), stabilisée par liaisons H.
• Synthèse sous forme de procollagène.
• Pathologies:
  • Scorbut (carence vitamine C → défaut hydroxylation Lys et Pro → problèmes articulaires).
  • Anomalies génétiques: mutations collagène type I → ostéogenèses imparfaites et mutations gènes collagènes type III → syndrome d’Ehlers-Danlos.

Protéines Globulaires

• Généralement des enzymes, protéines de transport et récepteurs.
• Structure plus complexe que les protéines fibreuses (repliement sphérique).
• Composées d'Hélices 𝛼, plans plissés 𝛽, coudes, tours, boucles.
• Résidus polaires à l'extérieur, non polaires à l'intérieur (interactions hydrophobes).
• Exemples: Myoglobine, Hémoglobine, lysozyme, ribonucléase, cytochrome C.

Myoglobine

• Hémoprotéine: apporte l'O2 essentiel au métabolisme oxydatif.
• Protéine monomérique, située dans les muscles rouges (stockage O2).
• Structure: chaîne de 153AA regroupés en 8 hélices 𝛼 (A à H).
• Molécule d’Hème au centre (groupement prosthétique).
• His F8 et His E7 (surface polaire).
• Molécule d’Hème: Prot porphyrine + atome de fer ferreux $(Fe^{2+})$.
• Prot porphyrine: 4 noyaux pyrroles liés par ponts méthylène.
• Atome de fer: 6 liaisons de coordination:
  • 4 liaisons avec l’azote (N) des cycles pyrroles.
  • 1 liaison libre (lien H) qui amarre l’hème à la globine (sur histidine).
  • 1 liaison libre pour fixation d’O2.
• Effets stériques de la liaison de ligands à l’hème:
  • Hème isolée
  • Hème dans la myoglobine
• Effets stériques de la liaison de ligands à l’hème de la myoglobine
  • Le CO se lie à l’hème 25.000 fois plus fort que l’O2.
  • Pour la liaison CO, l’angle est défavorable. La structure n’est pas linéaire à cause de L’His E7 qui encombre et réduit l’affinité pour le fer → Liaison CO seulement 200 fois plus forte que O2
• Courbe de liaison/fixation de l’oxygène de la Myoglobine:
  • Fixation indépendante de la concentration en oxygène.
  • Allure hyperbolique.
  • Courbe de dissociation de l’oxygène (sens inverse).
  • Pression partielle (poumons) $(pO_2 = 100mmHg)$.
  • p50: pression partielle en oxygène pour laquelle 50% des Myoglobines sont oxygénées → mesure l’affinité pour l’oxygène.
    • La myoglobine a une affinité plus grande pour l’oxygène donc elle le garde
• Au niveau sanguin, la myoglobine ne peut remplacer l’hémoglobine. Elle se charge bien en O2 dans les poumons mais il y a un problème pour l’oxygénation des tissus
  • Quand pO2 = 40 mmHg → faible libération de molécules d’O2
  • Quand pO2 = 20 mmHg → libération moyenne de molécules d’O2
  • Quand pO2 = 5 mmHg → beaucoup de molécules d’O2 libérées.
• Une seule molécule d’$O_2$ par myoglobine → hyperbole
• Parenté évolutive avec l'hémoglobine (protéines homologues, 18% d'identité).
• Les 18% d'identité sont les AA nécessaires à la structure et fonction de ces protéines

Hémoglobine

• Hémoprotéine (transport O2, métabolisme oxydatif).
• Située dans les érythrocytes (88% du volume).
• L’O2 arrive ensuite dans les tissus périphériques, il a deux chemins possibles : 1) il est donné à la myoglobine pour entretenir le stock ou 2) il sert à oxygéner les tissus.
  *Transport de CO2 par le bicarbonate $HCO_3^-$.
• Structure: protéine héminique, forme sphérique et tétramérique $(𝛼<em>2 - 𝛽</em>2)$.
  • 2 chaines 𝛼 (globines 𝛼) et 2 chaines 𝛽 (globines 𝛽).
  • 4 molécules d’hème → transport de 4 molécules d’O2.
  • Structure primaire: Globine 𝛼 → 141 AA et Globine 𝛽 → 146 AA
  • Structure secondaire et tertiaire : Globine 𝛼 → 7 segments hélicoïdaux ; Globine 𝛽 → 8 segments hélicoïdaux
• Nos 4 globines sont liées par des liaisons non covalentes (= ponts salins, attractions hydrophobes, liaisons hydrogènes)
  *Au niveau des chaines 𝛽, il y a la présence de résidus chargés (+) qui forment une cavité centrale pouvant recueillir une petite molécule acide par des ponts salins → 2,3-diphosphoglycérate (2,3-DPG)
• Liaison globine-hème: Liaison de coordination globine- hème se fait entre le $(Fe^{2+})$ de l’hème et l’Histidine proximale F8 de la globine en absence d’oxygène.
• L’atome de fer reste toujours sous sa forme réduite.

Notion de transition allostérique

• Changement de forme, de conformation de l’hémoglobine.
• Transition allostérique rapide et réversible. Elle s’effectue généralement en présence de ligand
• Forme T (désoxyhémoglobine) ou forme R (oxyhémoglobine).
• Liaison avec une molécule d’O2 → Changement de conformation de l’hémoglobine : la paire 𝛼2𝛽2 tourne de 15° autour de la paire 𝛼1𝛽1 = Etat T vers Etat R → le changement de conformation engendre une plus grande affinité pour l’oxygène.
• Déplacement du $(Fe^{2+})$ dans l’axe de l’hème
  *En présence d’oxygène, l’atome de fer se situe dans le plan ce qui entraine une déstabilisation des liaisons non- covalentes de la globine → liaison a lieu au niveau de l’histidine distale de l’hélice E ce qui provoque le changement de conformation des sous-unités.
  *Liaison de O2 – $(Fe^{2+})$→ shift dans la position de l’hélice F
  *Rôle d’articulation de certaines chaines latérales dans les chaines de globine
  *Nous allons rompre certaines liaisons d’articulations pour en créer d’autres. Le but n’est pas de déstabiliser complètement la protéine.
  *Rupture de ponts salins entre les chaines de globines
  *Nous pouvons dire que l’hémoglobine coopère avec l’O2. Sous forme désoxyhémoglobine, il n’y a pas beaucoup d’interactions avec l’O2 mais la molécule arrive tout de même à se lier avec le ligand → la 1er interaction entraine les autres.
  *La molécule d’Hémoglobine dans son état initial est sous un état T, on va venir fixer une première molécule d’O2 qui va rompre les ponts salins et déstabiliser les autres liaisons ce qui va alors faciliter la fixation d’une deuxième molécule d’O2 etc. jusqu’à la fixation de la quatrième molécule d’ O2 → qui induit le changement de conformation, molécule d’hémoglobine sous état R. Cet état R est tout de même maintenu par d’autres liaisons covalentes.
• Interaction coopérative positive.
  *Rem : Nous pouvons dire que l’hémoglobine coopère avec l’O2. Sous forme désoxyhémoglobine, il n’y a pas beaucoup d’interactions avec l’O2 mais la molécule arrive tout de même à se lier avec le ligand → la 1er interaction entraine les autres.

Les fonctions de l’hémoglobine

• Transport de l’oxygène $O_2$ des poumons aux tissus.
• L’oxygène est peu soluble dans l’eau donc il nécessite de ce fait un transporteur : l’hémoglobine.
  *Hémoglobine possède 4 hèmes donc 4 sites de liaisons pour l’oxygène → liaison réversible
• L’affinité qu’aura l’hémoglobine pour l’oxygène dépend de quelques facteurs : I. La pression partielle en $(O<em>2)$ II. Le 2,3-DPG (modifie la forme T et R) III. La température IV. Le pH et du $(CO</em>2)$
  • ce sont les paramètres influençant le changement de conformation de l’Hb

Effet de la pression partielle en $(O_2)$

• La courbe de liaison de l’oxygène est une Sigmoïde = effet des interactions coopératives entre les S-U.
  *Au niveau des poumons, l’hémoglobine est chargée en $(O<em>2)$et au fur et à mesure, elle se décharge en $(O</em>2)$.
• On retrouve également la p50 = pression partielle en $(O<em>2)$ pour laquelle l’Hb est saturée à 50% en $(O</em>2)$➔ mesure l’affinité de l’Hb pour $(O_2)$ et permet aussi de comparer des pathologies et des individus.
• Au départ, l’Hb est sous la forme désoxyhémoglobine (Forme T) où l’accès aux molécules d’$O<em>2$ est difficile. Le processus de coopérativité permet la liaison d’une molécule d’$O</em>2$ qui va induire la liaison des 3 autres molécules d’$O<em>2$ pour parvenir à l’Hb sous forme R = oxyhémoglobine = hémoglobine chargée en $(O</em>2)$ (dans les poumons). Ensuite, la p$(O<em>2)$ va diminuer au fur et à mesure et il y a donc inversion du processus de coopérativité et on libère les $(O</em>2)$ un à un pour oxygéner les tissus.
• Notons donc que l’Hb a une faible affinité pour l’O2 et qu’elle aura tendance à le libérer.
• Poumons ➔ forte affinité de l’Hb pour l’O2 → fixe l’O2 aisément.
• Cellules ➔ l’Hb libère l’O2 et cette concentration en O2 diminue $(pO_2)$ et la Mb a une forte affinité donc elle se charge en O2 ➔ flux d’O2 dans le sens sang-cellule.

Effet du 2,3 diphosphoglycérate

• Rôle d’effecteur allostérique: favorise la libération de l’O2 dans les tissus.
• Lié dans la cavité centrale de l’Hb.
• Anion polaire (phosphate organique).
  *interactions électrostatiques aux chaines 𝛽 de la désoxyHb → stabilise donc la forme T de l’Hb.

Exemple : Adaptation aux hautes altitudes

En altitude, la pression en O2 est plus faible donc on va augmenter la concentration en 2,3-DPG pour permettre à l’Hémoglobine de libérer plus facilement de l’O2. On va donc diminuer l’affinité de l’Hb pour l’O2, ainsi elle libère l’O2 au niveau des tissus et favorise le retour à une forme tendue.

• Nous savons que l’Hb possède 4 chaines : toujours des chaines 𝛼 et les autres varient au cours du développement
• Nous remarquons que les chaines de globines 𝛼 ne sont pas modulées au cours du temps.
• Les globines de l’embryon diminuent au cours du temps.
• On remarque que les globines 𝛾 apparaissent chez le fœtus tandis que les globines 𝛽 sont très peu présentes.
• A partir de la naissance, il y a une diminution des globines 𝛾 et une augmentation des globines 𝛽 avec l’apparition des globines 𝛿 en faible quantité.
• De plus, Hb A → P50 = 26mmHg et Hb F → P50 = 20 mmHg donc Hb F a une plus grande affinité pour l’O2 que l’Hb A → oxygénation Hb Fœtale.
• Hb F n’est plus adaptée car à la moindre délivrance d’O2 aux tissus : remplacement des 2 globines 𝛾 par les globines 𝛽.

Exemple : cas de l’hémoglobine fœtale

• L’Hb fœtale a une plus grande affinité pour l’O2 que l’Hb adulte → POURQUOI ??
• Remarquons déjà que la structure primaire de Hb F et Hb A sont différentes :
• Chez l’Hb F, l’histidine est remplacée par de la sérine qui ne forme pas de ponts salins avec le DPG donc le DPG se lie plus faiblement avec l’Hb F → stabilisation de la forme T plus faible → Hb F plus grande affinité pour l’𝑂2
• De plus, les chaines 𝛾 de l’Hb F possède une charge positive (+) en moins au niveau de la cavité centrale ce qui va donc réduire l’affinité de l’Hb F pour le 2,3-DPG et ainsi augmenter l’affinité pour l’𝑂2

Transport inverse du $(CO_2)$ des tissus vers les poumons + protons

• Le $(CO<em>2)$ est 20x plus soluble que l’$(O</em>2)$ et contrairement à l’O2 il existe 3 possibilités de transport :
  • 75-80% sont solubilisés dans le plasma sous forme d’ions bicarbonate.
  • 15-20% sont transportés par l’Hémoglobine des érythrocytes.
  • 5% sont dissouts directement sous forme gazeuse dans le sang.

Intéressons-nous au transport de CO2 et protons par l’hémoglobine

Au niveau des tissus :
*L’Hb relâche l’O2, elle a une conformation qui lui permet de prendre en charge les H+ et le CO2 relargués par les tissus pour les transporter jusqu’aux poumons
Le CO2 est transporté par :

• L’hémoglobine :$(CO<em>2 + Hb-NH</em>3 → 2H+ + Hb-NH-COO^-)$
  • Le CO2 se fixe sur le groupement amine de l’Hb et forme un carbamate d’hémoglobine. Au niveau du carbamate, il y a la formation de ponts salins entre les chaines 𝛼 et 𝛽 → stabilisation de la forme T (désoxyhémoglobine).
  • Etant donné qu’on stabilise la forme T, la désoxyhémoglobine va pouvoir fixer 1 proton sur les chaines latérales des histidines et des cystéines des globines pour 2 O2 libérés → pouvoir Tampon. L’hémoglobine peut donc transporter au max 4 molécules de CO2 et 2H+.
• Les ions bicarbonates : $(2 CO<em>2 + 2 H</em>2O → 2 H<em>2CO</em>3 → 2 H<em>2CO</em>3 → 2 H+ + 2 HCO_3 ^-)$
  • C’est en présence d’Anhydrase carbonique que la formation d’ions bicarbonates peut avoir lieu. La désoxyhémoglobine va pouvoir fixer 1 proton sur les chaines latérales des histidines et des cystéines des globines pour 2 O2 libérés → pouvoir Tampon.
    Au niveau des poumons
• La transition de l’Hb de la forme T à la forme R (oxygénée) → la liaison d’O2 libère les H+ ainsi que le CO2 qui est fixé sur l’Hb.
• Ou bien le CO2 est reformé à partir du bicarbonate : $(2 H+ + 2 HCO<em>3 ^- →2 H</em>2CO<em>3 → 2 CO</em>2 + 2 H_2O)$ en présence d’anhydrase carbonique.
• Le CO2 est évacué lors de la respiration (expiration).

L’effet Bohr

• L’effet Bohr représente le couplage réciproque entre l’O2 et H+.
  *Il faut savoir que la diminution du pH favorise la forme T.
  *La liaison de H+ diminue la liaison de l’O2 (stabilise l’état T) et la liaison de l’O2 diminue la liaison des H+.

Les hémoglobines anormales

Les hémoglobinopathies

• Les hémoglobinopathies sont généralement des mutations au niveau des gènes codant pour les sous-unités (𝛼 𝑜𝑢 𝛽) qui affectent la fonction biologique de l’Hb.
• Hémoglobine M (HbM) → His F8 → Tyr
  * Elle stabilise la forme T = pas de liaison à l’𝑂2.

Hémoglobine S = Drépanocytose ou anémie falciforme

• Il y a une mutation de la chaine 𝛽 → mutation du Glutamate en position 6 en Val
• Il y a donc la formation d’une pièce adhésive en surface des globines 𝛽= qui se lie à la forme désoxyHb norm. L’Hb se polymérise et favorise la précipitation de l'hémoglobine S en longs filaments (longs précipités fibreux insolubles) qui allongent les érythrocytes en leur donnant une forme de faucille.
• Dans le cas de la drépanocytose, un groupe de maladies héréditaires, les globules rouges sont déformés et ressemblent à des faucilles.

La carboxyhémoglobine ou intoxication au CO

• Le CO (monoxyde de carbone) se fixe à l’hémoglobine de la même façon que l’oxygène. Il faut savoir que l’affinité du CO est 300x plus grande que l’affinité de l’oxygène. Donc il déplace l’𝑂2 de sa liaison avec l’hémoglobine et l’hémoglobine se voit octroyer une molécule de CO elle devient donc une molécule de Carboxyhémoglobine qui est inapte au transport de l’𝑂2.

Méthémoglobinémie

• La méthémoglobinémie est le taux de méthémoglobine dans le sang et par extension le nom de la maladie correspondant à un taux trop important de méthémoglobine dans le sang. Dans l'hémoglobine normale, les noyaux hémiques des sous unités de l'hémoglobine lient un fer ferreux $(Fe^{2+})$ qui va lier l'oxygène. Dans le cas de la méthémoglobinémie, le noyau hémique va lier un fer ferrique (3+) qui va être incapable de lier l'oxygène.
• C'est une déficience en NADPH méthémoglobine réductase qui réduit le fer ferrique en fer ferreux. La méthémoglobinémie devient anormale au-delà de 10-15% de l’hémoglobine totale et peut ainsi conduire à une cyanose ardoisée (= couleur gris ardoise sur la peau).

Les Thalassémies

• Elles sont généralement dues à une déficience dans la synthèse d’une ou plusieurs des quatre chaines formant l’hémoglobine.Il existe deux types de Thalassémies : les 𝛼 𝑒𝑡 𝑙𝑒𝑠 𝛽.

La Myoglobinurie

• Le terme myoglobinurie désigne la présence de myoglobine dans l'urine. La myoglobine est une protéine chargée de stocker l'oxygène dans les muscles et de le transporter d'une cellule à l'autre. La présence de cette protéine dans les urines peut résulter d'un choc violent au niveau du muscle, d'une infection ou d'une intoxication

Anémie

• L'anémie est due à un manque ou à un dysfonctionnement de globules rouges → hémoglobines, ce qui entraîne une diminution du flux d'oxygène vers les organes du corps.

Hémoglobine glycosylée

• L’hémoglobine glyquée ou glycosylée (que l’on note parfois HbA1c) est une forme particulière d’hémoglobine, le pigment présent dans les globules rouges qui permet de transporter l’oxygène dans le sang.
• Il existe un lien proportionnel entre le taux d’HbA1c et le taux de glucose sanguin. Plus le pourcentage d’hémoglobine glyquée dans le sang est élevé, plus la glycémie (taux de glucose dans le sang) moyenne est élevée

Protéines mixtes motrices

Myosine

• La myosine = protéines motrices qui couplent l’hydrolyse de l’ATP à des changements de conformation pour permettre la contraction musculaire.
  *L’actine (protéine) = boules jaunes va interagir avec la tête de la myosine pour induire un mouvement. D’autres intermédiaires : le Calcium et la troponine vont leur permettre d’interagir.
  *Lors de l’hydrolyse de L’ATP en ADP + Pi alors il y a une contraction musculaire car il y a eu un glissement entre la myosine et l’actine (présentes sur le sarcomère = sert à la contraction, fait de pleins de protéines)

Kinésine

• Les Kinésines vont transporter des chargements en se déplaçant le long des microtubules. C’est grâce à l’ATP libéré, qu’elles changent de conformation car changement dans les liaisons covalentes → déplacement long des microtubules.