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Chapitre III: Structure spatiale des protéines
La séquence des acides aminés est déterminée par les gènes.
La séquence des acides aminés détermine la structure tridimensionnelle.
Une séquence d’acides aminés conduit à une structure tridimensionnelle donnée?
III.1. Conformation des protéines
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
Liaison peptidique et liberté de rotation
Diagramme de RamachandranLiberté de rotation possible autour de CαAngles de rotation phi et psi
la liaison peptidique est plane
Plusieurs contraintes stériques restreignent la variété des dispositions tridimensionnelles possibles des atomes. Des contraintes supplémentaires liées à la formation de liaisons faibles restreignent le nombre de conformations possibles d’une protéine.
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.2. Les liaisons covalentes et non covalentes
III.2.1. La liaison covalente
Une liaison covalente est formée par la mise en commun (partage d’électrons) d’au moins une paire d’électrons entre deux atomes.
1 paire d’électrons: liaison simple2 paires d’électrons: liaison double3 paires d ’électrons: liaison triple
Les liaisons covalentes sont les liaisons les plus fortes (en kcal/mole)
C-C 82 C-N 70C-H 99 C-O 84O-H 110 N-H 94S-S 63
Différence entre
liaison covalente
et liaison ionique
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.2.2. Les liaisons non covalentes
Dans les molécules biologiques, il existe des interactions moléculaires noncovalentes facilement réversibles.
Rappels: l’eau est polaire, cohésive et solvate les molécules polaires
Les liaisons hydrogènes
Ces liaisons sont différemment affectées par la présence de l’eau dans les milieux biologiques.
Énergie de liaison: 3 à 7 kcal/mole
Se forment entre molécules polaires
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
Les liaisons électrostatiques
III.2.2. Les liaisons non covalentes
Se forment entre molécules chargées
Affectées par la présence de l’eau et des sels
Loi de coulomb
q1q2
F= r2D
OCH2-C +NH3-CH2-
O- 2,8 A00
Les interactions de Van der Waals
Dépendent de la distance inter-atomiqueFaibles et moins spécifiques (1 kcal/mole)
Forces attractives et répulsives
Distance de contact de Van der Waals =somme des rayons de Van der Waals
3 à 7 kcal/mole
distance
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
Les interactions hydrophobes
III.2.2. Les liaisons non covalentes
Se réfèrent à l’association de composés non-polaires dans un milieux aqueux
Liées au fait que l’eau se lie fortement à elle-même
Ces 4 types de liaisons faibles agissent en parallèle pour déterminer et stabiliser la forme d’une protéine.
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.3. Les 4 niveaux d’organisation structurale
primaire secondaire tertiaire quaternaire
Enchaînement des acides aminés.Liaison covalente
Repliement localiséde la chaîne peptidiqueLiaison non covalente
Organisation complètede la chaîne peptidiqueLiaisons non covalentes et covalente
Structure globale d’un complexe multimèriqueLiaisons non covalentes
De la séquence au repliement
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4. Les motifs de structure secondaire
Découverts il y a 50 ans
Hélice α dans la kératine Feuillet β dans la fibroïne
Liaison hydrogène entre N H et C O du squelette peptidique
Boucles et coudes: connections
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.1. L’hélice alpha
Hélicedroite
Hélicegauche
Pas de l’hélice: 3,6 résidus5,41 A
C-terminal
N-terminal L’hélice droite est la structure secondaire la plus répandue.L’hélice gauche est très rare dans les protéines
Φ = - 57°Ψ = - 47°
N-ter
C-ter
Liaison hydrogène résidus n et n+4
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.1. L’hélice alpha
Hélice α a un moment dipolaireLes chaînes latérales sont situées à l’extérieur de l’hélice
Vue de dessus
Hélices amphipathiques
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.2. Les feuillets bêta Brin β
• 5 à 10 résidus
• Conformation étirée
• Cα alternativement au dessus et au
dessous du plan
• S’associent aux brins adjacents par
liaisons hydrogène
Feuillets bêta.
N
C
Feuillet de 4 brins anti parallèles Feuillet de 4 brins parallèles
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.2. Les feuillets bêta
Φ = - 139°Ψ = + 135°
Φ = - 119°Ψ = + 113°
Feuillet β mixte de la thiorédoxine d’E. coli
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.2. Les feuillets bêta
N-ter
C-ter
Légère torsion droite des brins bêta dans les 3 types de feuillets
Représentation schématique des feuillets
antiparallèle
parallèle
III.4.3. Les boucles et les toursChapitre III: Structure spatiale des protéines
Structures non régulières, non répétitives, connectent structures secondaires
Tours ou coudes β• 2 à 4 résidus• Connectent deux brins β antiparallèles• Différents types classés selon les angles phi et psi des différents résidus
Type I
Type II
Type II
Boucles• Jusqu’à 20 résidus• Résidus polaires et chargés• Situées en surface• Liaison hydrogène avec molécule d’eau• Grande variabilité• Éléments de jonction• Participent à la formation de sites de liaison ou de sites actifs
Structure Φ Ψ
β antiparallèle -139 +135 β parallèle -119 +113
Hélice α droite -57 -47 Hélice 310 -49 -26 Hélice π -57 -70 PolyPro I -83 +158 PolyPro II -78 +149 PolyGly II -80 +150
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesLes angles phi et psi caractérisent les structures secondaires
Si conformation ne correspond à aucune structure secondaireconformation en pelote statistique ou « random coil »
Le dichroïsme circulaire apporte des informations sur les structures secondaires d’une protéine, en particulier permet de mesurer le taux d’hélicité avec indication du sens droit ou gauche.
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples
• Composée presque exclusivement d’hélice α
• Chez vertébrés, composant principal des phanères (cheveux, poils, fourrure, bec, ongles, griffes, sabots)
α-kératine
•Structure de base: protofibrille
•Protofibrille: 2 paires d’hélices en superhélice gauche (Van der Waals et ponts S-S)
• 1 paire: 2 hélices α droites enroulées en hélice gauche
• 8 protofibrilles pour 1 microfibrille
• Microfibrilles réticulées par des ponts S-S
• Macrofibrilles plus ou moins rigides
X2
Hélice αR 1 et 4 (sur 7) hydrophobes
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples
collagène
• 25% de toutes les protéines des vertébrés
• Composant principal du tissu conjonctif
• Différents types de collagène, différentes formes, différentes fonctions (os, dents, cornée, tendons, peau, vaisseaux sanguins
• Structure de base: tropocollagène3 hélices gauches enroulées en torsade droite
• Collagène riche en glycine (1/3) et en proline (1/4)
• Présence d’hydroxyproline et d’hydroxylysine (post-traductionnelle) selon le type de collagène
• Hydroxyproline: formation de liaisons hydrogène intercaténaires dans la triple hélice de tropocollagène
• Hydroxylysine: porte des oligosaccharides
• 3 tropocollagènes pour une microfibrilleLiaisonsallys/lysallys/allys
Liaisons H
Chaîne α1 du collagène de rat
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples
collagène
• 5 types de collagène
• 2 types d’hélices α 1 et α 2avec propriétés différentes
• Motif répété (Gly-X-Y)n avec X souvent Pro
• Stabilisation - par liaisons H intermoléculaires
entre hélices tropocollagène (glyet pro)- liaisons covalentes inter et
intra superhélices entre résidus lysine modifiée et lysine
Pas de cystéine, pas de ponts S-S
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples
Fibrinoïne de la soie
• Feuillets bêta antiparallèles
• Répétition (Ser-Gly-Ala-Gly)n
• Arrangement particulier des chaînes latérales de Gly et de Ala
• Empilement particulier des feuillets bêta
• Stabilisés par interactions Van der Waals
• Flexible et non extensible.
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
Coude bêta
Elastine
III.4.4. Motifs de structure secondaire et exemples
• Constituant majeur des fibres élastiques (peau, paroi des vaisseaux, ligaments)
• Motifs répétés: (V-P-G-V-G)n(A-P-G-V-G-V)n
• Organisation en coude β
• Spirale β: extensible et flexible.
Spirale bêta
Coude bêta
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques
III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural
III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques
Structure de la myoglobine:Différentes représentations
schématiques construites par
ordinateur à divers degrés de
simplification.
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural
III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques
Les feuillets bêta sont souvent représentés par des diagrammes topographiques.
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural
III.5.1. Représentations schématiques et diagrammes topographiques
Les motifs de structure supersecondaire
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5. Les Structures supersecondaires: notion de motif structural
III.5.2. Les motifs α - α
Motif liant l’ADN Motif liant le calcium
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
Motif EF Troponine C
III.5.2. Les motifs α - α
Hélice-boucle-hélice liant le calcium
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.2. Les motifs α - α
10 pb
ADN-B
Régulation de l’expression des gènes au niveau transcriptionnel
activateurs, répresseurs, facteurs de transcription
interaction avec l’ADN
motifs structuraux spécifiques
- hélice-tour-hélice - hélice-boucle-hélice
- fermeture éclair à leucine - doigt de zinc
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.2. Les motifs α - α
Hélice-tour-hélice liant l’ADN
Cro Represseur trp Fragment cI Fragment Cap
Facteurs procaryotes
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
10 pb
III.5.2. Les motifs α - α
Hélice-tour-hélice liant l’ADN
ADN-B
Sites de liaison de Cro dans l’opérateur du phage lambda
Dimère Cro
Motif de Cro lié à l’ADN
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5.2. Les motifs α - α
Hélice-tour-hélice liant l’ADN
Répresseur opérontryptophane
Répresseur actifRépresseur inactif
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5.2. Les motifs α - α
Autres motifs alpha-alpha liant l’ADN
HoméodomaineClasse particulière de protéines hélice-tour-hélice
Fermeture éclair à leucine1 résidu sur 7
Hélice-boucle-hélice
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.3. Les motifs β – β
épingle à cheveux bêta
Inhibiteur de la trypsine bovine
Erabutoxine
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.3. Les motifs β – β
Clé grecque
Nucléase de staphylococcus Formation du motif
Motif « clé grecque »
Chapitre III: Structure spatiale des protéinesIII.5.4. Les motifs mixtes
β−α−β
Impliquée dans la formation de sites actifs ou de sites de liaison
Pas de fonction reconnue
III.5.4. Les motifs mixtes
β−α−β
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
2 conformations possibles
Droite Gauche
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.5.4. Les motifs mixtes
β−β−α
Motif doigt de Zinc
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.6. La structure tertiaire: notion de domaine
La chymotrypsine est formée de 2 domaines
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.6. La structure tertiaire: notion de domaine
Domaine liant le Calcium Domaine de Kringle
Un ou plusieurs domaines
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.6. La structure tertiaire: notion de domaine
Les domaines sont des unités structurales et fonctionnelles
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.6. La structure tertiaire: notion de domaine
Trois domaines protéiques différents
Domaine unique ducytochrome b562
Domaine de liaison au NAD de la lactate déshydrogénase
Domaine variable de chaine légère d’Ig
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.6. La structure tertiaire: notion de domaine
Chapitre III: Structure spatiale des protéines
III.7. La structure quaternaire