LES PROTEINES : STRUCTURES ET FONCTIONS

1 1 LES PROTEINES : STRUCTURES ET FONCTIONS Les prot ines dont le nom signifie le premier ou le plus important sont les macromol cules les plus abondantes et constituent plus de la moiti du poids sec de la plus part des organismes. Les prot ines et les peptides sont form s de quelques 20 acides amin s (aa) unis entre eux par des liaisons peptidiques. Les prot ines sont les moyens d expression de l information g n tique. Il existe des milliers de g nes dans les noyaux cellulaires (chacun d terminant un caract re particulier), des milliers de prot ines diff rentes leurs correspondent ; chacune assurant une fonction sp cifique d termin e par son g ne. Les prot ines sont des mol cules non seulement abondantes mais aussi extr mement versatiles dans leurs FONCTIONS . Les prot ines de toutes les esp ces quelque soit leurs FONCTIONS ou leurs activit s biologiques sont constitu es du m me ensemble de 20 aa standards, qui par eux m me n ont aucune activit biologique.

2 1. LES FONCTIONS BIOLOGIQUES DES PROTEINES : Les prot ines peuvent : a. Cr er et maintenir une structure : Exemples des prot ines du cytosquelette et des prot ines des tissus de soutien. b. Reconna tre et se d fendre : Les immunoglobulines. c. Transporter : Cas des transporteurs de petites mol cules dont l oxyg ne et les transporteurs transmembranaires. d. Transformer : Les enzymes catalysent l essentiel des r actions chimiques du vivant. e. Bouger et se d placer : Les prot ines fonction motrice et les prot ines des mouvements intracellulaires. f. Informer et signaler : Les r cepteurs et leurs ligands. 2. CLASSIFICATION DES PROTEINES SELON LEUR FORME : Les prot ines peuvent tre divis es en 2 grandes classes selon leur forme et certaines Caract ristiques physiques : 2 LES PROTEINES GLOBULAIRES : - les cha nes polypeptidiques formant les prot ines globulaires sont troitement enroul es en une structure compacte, sph rique ou globulaire.

3 Elles sont g n ralement solubles dans les syst mes aqueux et diffusent rapidement. La plus part ont une fonction dynamique (enzyme, ). LES PROTEINES FIBREUSES : - Elles sont insolubles dans l eau, allong es avec des cha nes polypeptidiques tendues le long d un axe au lieu d tre enroul es en une forme globulaire. Elles ont un r le structural ou de protection (k ratine, collag ne, fibro ne, actine, ) 3. LES ACIDES AMINES : Les l ments de base des prot ines : les acides amin s. La structure de base de presque tous les acides amin s peut s crire : Toutes les prot ines sont form es de 20 acides amin s standard . Ces substances sont des -aminoacides, car, l exception de la proline, ils pr sentent un groupe amine primaire et un groupe acide carboxylique substitu s sur le m me atome de carbone. Le carbone porteur des FONCTIONS acide et amin e ainsi que du radical R et de l hydrog ne est appel carbone asym trique (C : les quatre radicaux tant diff rents les uns des autres).

4 3 Le carbone tant asym trique, il existe donc deux st r oisom res : Les prot ines ne contiennent que des acides amin s de la s rie L et la masse de chaque acide amin ne d pend que de sa chaine lat rale : 4 5 6 Etat d ionisation des acides amin s : En solution aqueuse, les acides amin s sont ionis s et l tat d ionisation d pend du pH environnant ou du milieu : Les acides amin s sont des mol cules amphot res: Ils peuvent agir comme des acides et comme des bases. Les acides amin s existent l' tat de zwitterion, c'est dire qu'ils peuvent contenir des charges positives et n gatives par leurs groupement carboxylique charg n gativement et amin , charg positivement et par les groupements ionisables de leurs chaines lat rales. Par d finition: le zwitterion est une forme neutre qui poss de autant de charges positives que de charges n gatives. On peut titrer un acide amin et d termin les pK des FONCTIONS carboxyliques et amines.

5 Il s agit d une courbe donnant le ph en fonction de la quantit de base ou d acide ajout e et qui permet la mise en vidence des diff rents pKa de l acide amin . Le titrage implique l limination ou l addition graduelle de protons. Ce graphique repr sente le dosage par NaOH d une solution d acide amin ne contenant pas de groupement ionisable sur sa chaine lat rale. Exemple de la titration de l alanine, elle comporte deux tapes distinctes, chacune correspondant l limination d un proton de l alanine (ala) : Au d but : (la partie basse et gauche du graphique) : ala a ses 2 FONCTIONS acido-basiques proton es et se trouve sous une forme cationique avec une 7 charge positive, lorsque l on ajoute de la soude, une partie des mol cules subissent une dissociation jusqu' arriver un point o il y a autant de mol cules charg es positivement que de mol cules neutres, ce point le pH est gal au 1er pK (Pk1=2,3 pour ala) La partie plate autour de ce pK, correspond une zone tampon, si on continue ajouter de la soude, un point d inflexion est atteint, ce pH correspond au pH iso lectrique ou pHi (pHi=6 pour ala), toute l ala est sous une forme dipolaire avec 2 charges, une (+) et une (-) avec une charge globale nulle.

6 L ajout de soude provoque une nouvelle dissociation avec perte du proton de l amine, galit de concentration des 2 esp ces, le pH correspond au 2 me pK (Pk2=9,7 pour ala). La partie de la courbe relativement plate autour de ce pK correspond une nouvelle zone tampon, un dernier ajout de soude va totalement d protoner l acide amin qui va se retrouver sous une forme charg e n gativement. Courbe de titration de l alanine 8 CLASSIFICATION DES ACIDES AMINES : Il existe 20 acides amin s naturels entrant dans la composition des prot ines. Il existe plusieurs classifications des acides amin s. 1- Les acides amin s peuvent tre group s en fonction de la nature de leurs cha nes lat rales : Aliphatiques: Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine Hydroxyl s/soufr s: S rine, Cyst ine, Thr onine, M thionine Cycliques: Proline Aromatiques: Ph nylalanine, Tyrosine, Tryptophane.

7 Basiques: Histidine, Lysine, Arginine Acides: Acide Aspartique, Acide Glutamique 2- Les acides amin s peuvent tre class s en fonction de la polarit et de la charge des chaines lat rales pH neutre : Charg es positivement pH neutre (l'aa est aussi qualifi de basique) : Lys, Arg, His, La cha ne lat rale de l His a un pKa= Charg es n gativement pH neutre (l'aa est qualifi d'acide) : Asp, Glu Non charg es pH neutre mais polaire : Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr Non charg es pH neutre mais apolaire (ou hydrophobe) : Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro NOMMENCLATURE : Il existe des codes trois lettres pour identifier les acides amin s et aussi des codes une lettre seulement (utiliser pour les s quences des prot iques) glycine Gl y, G m thionine Met, M cyst ine C ys, C ph nylalanine Phe, F alanine Ala, A proline P ro, P glutamine Gln, Q tryptophane Trp, W valine Val , V s rine Ser, S asparagine Asn, N histidine His, H leucine Leu, L thr onine Thr, T Glu, E lysine Lys, K isoleucine Ile, I tyrosine Tyr, Y Asp, D arginine A rg, R 9 PROPRIETES SPECIFIQUES DES ACIDES AMINES : Les acides amin s aliphatiques : Glycine : - La plus petite masse mol culaire - Pas de carbone asym trique - La chaine lat rale la plus simple : H Alanine : - chaine lat rale : groupement m thyle Valine : - : isopropyle Leucine.

8 Isobutyle Isoleucine : - : isobutyle (isom re de la leucine) Les acides amin s soufr s ou hydroxyl s : Serine : - chaine lat rale avec groupement hydroxyl (site de phosphorylation de nombreuses prot ines. Thr onine : - chaine lat rale avec groupement hydroxyl . M thionine : - chaine lat rale avec groupement thioether. Cyst ine : - chaine lat rale avec groupement sulfhydryle (thiol) 10 Les acides amin s cycliques (aromatiques) : Proline : - la chaine lat rale est li e la fois au carbone et l azote Les acides amin s basiques : Histidine : - chaine lat rale avec groupement imidazole (aromatique) Lysine : - chaine lat rale avec groupement amin (ionisable pH acide) Arginine : - chaine lat rale avec groupement guanidinium. 11 Les acides amin s acides : 4. LES PROTEINES FIBREUSES : Les prot ines fibreuses sont constitu es de chaines polypeptidiques dispos es en long brins ou feuillets.)

9 Elles repr sentent plus du tiers des prot ines des vert br s sup rieurs : - Elles constituent leur protection : peau, cuir, cheveux, plumes, - Elles sont les principaux constituants organiques des tissus conjonctifs : os, - Elles ont des STRUCTURES plus simples que celles des prot ines globulaires. - La structure tridimensionnelle des prot ines a t d termin e par l analyse aux rayons X : Etude par diffraction aux rayons X L acide aspartique et glutamique ont chacun une chaine lat rale acide, ionisable pH basique. 12 LA CONFORMATION DES PROTEINES NATIVES : Puisque le squelette de la chaine polypeptidique contient des liaisons simples, ce polypeptide peut donc assurer un nombre infini de conformation dans l espace. Or la chaine polypeptidique d une prot ine native ne poss de qu une seule conformation (ou un petit nombre) dans l espace et dans les conditions biologiques de T et de pH. Cette conformation native est stable et permet donc une activit biologique donn e.

10 En conclusion, les liaisons simples dans la chaine polypeptidique ne tournent pas librement. LA LIAISON PEPTIDIQUE : La liaison peptidique est le ciment de base de toutes les STRUCTURES prot iques. La liaison peptidique est une liaison covalente qui se forme par condensation du groupement -carboxyle (acide) d un acide amin avec le groupement amin d un autre acide amin avec limination d une mol cule d eau. La liaison C N unissant deux acides amin s et plus courte que la plus part des autres liaisons C N. Cette liaison peptidique donc, poss de donc un caract re de double liaison partielle, et de ce fait ne tourne pas librement. Ont d duit, selon Pauling et Corey , que les 4 atomes de la liaison peptidique sont dans un seul plan, de telle fa on que l atome d O2 du groupe carboxyle et l atome d H2 de groupe amin sont en position Trans l un par rapport l autre. Il en r sulte, que le squelette de la chaine polypeptidique peut tre repr sent comme une succession de plans rigides s par s par des substituants m thyl nes (- CHR -).