⑧ Structures tridimensionnelles de protéines

Stabilisation du collagène grâce à ... :

- L'abondance de Proline et d'Hydroxyproline, car la polyproline forme spontanément une hélice de pas gauche avec un incrément de 0,31nm et un pas de 0,94nm. - Des liaisons hydrogène ( Entre Glycine et Proline ou Hydroxyproline ) - Des pontages intermoléculaires ( Entre résidus des allysine ) -> La lysyl oxydase ( = une enzyme ) transforme les résidus Lysine en allysine puis deux aldéhydes subissent une condensation alcoolique pour donner l'aldol allysine. - La glycosylation.

La kératine α :

- Présente dans les cheveux, ongles, cornes, ... - Sous-unité : hélices α, presque de bout en bout ( ~ 310 acides aminés ) - Dimères -> 2 sous-unités enroulées en super-hélice de pas gauche. - Assemblage structurel croissant : Dimères -> protofilament -> microfibrille -> macrofibrille -> poil/cheveux/... - Certaines maladies héréditaires, par exemple des anomalies dans la séquence de la kératine 5 ou 14, altèrent l'intégrité de la peau

Les protéines à l'état de cristal présent pratiquement les mêmes structures que celles en solution :

1. Une protéine à l'état de cristal baigne dans le solvant de cristallisation sur toute sa surface ( -> contexte plus ou moins équivalent à la solubilisation ) 2. Lorsque la structure d'une protéine a été déterminée à l'état de cristal, par rayons X, et en solution, par RMN, les deux structures sont fort identiques 3. De nombreuses enzymes, une fois cristallisées, sont toujours catalytiquement actives ( ! ). Les enzymes cristallisées actives doivent par conséquent avoir des conformations très proches de celles en solution, puisque structure -> fonction.

Caractéristiques générale d'une liaison peptidique

Caractère de double liaison partielle : - Légèrement plus courte ( 1,33 Å, contre 1,5 Å pour une liaison C - N simple ) - Liaison à caractère polaire - Les 6 atomes dans le même plan : C & N de la liaison peptidique + Cα des deux acides aminés + H porté par l'azote + O - Configuration TRANS ( Sauf 10% des liaisons impliquant Pro (-> Interconversion CIS ↔ TRANS possible avec l'enzyme pro Cis-Trans isomérase) - Liberté de rotation autour des liaisons N - Cα et Cα -C

Toujours pour la myoglobine de cachalot, localisation en rouge des résidus liant le glucose :

Cette configuration permet de préserver le glucose de l'hydrolyse. L'ATP intervient dans le maintien de cette structure

Structure en triple hélice :

Comme dit plus haut, la séquence est une répétition de triplets Gly-X-Y sur une longueur de 1011 résidus ( bien que la protéine en ait 1042 ). X est souvent Proline et Y est souvent Hyp. Le contenu élevé en Glycine, Proline et Hyp suggère que la conformation du squelette polypeptidique est analogues à celles des hélices de pas gauche de la PolyGly et de la PolyPro. ( Cf supra, les deux fameux homopolypeptides )

A) Forces électrostatiques

Comme vu dans le chapitre relatif aux propriétés de l'eau, l'énergie d'association U de deuxcharges électriques q1 et q2 séparées par une distance r correspond au travail nécessaire à la séparation de ces charges à une distance infinie. S'entend, les arracher à leurs influences : D est la constante diélectrique du milieu et sa valeur augmente avec la polarité du milieu. Pour l'intérieur d'une protéine, sa valeur est entre 3 et 5, analogue aux solvants organiques. Pour l'eau, la valeur de D ≃ 80. Ce qui signifie que l'eau atténue particulièrement ces forces. On peut calculer le potentiel électr statique des surfaces protéiques avec le programme GRASP. Ces diagrammes sont utiles pour déterminer dans quelle mesure une protéine peut s'assembler avec d'autres molécules chargées telles que des protéines, acides nucléiques, ... et permet aussi de prédire les pKa des groupements de surface des protéines.

Configurations CIS et TRANS d'un résidu proline

De fait, environ 10% des résidus proline des protéines se trouvent en configuration CIS. Cette exception est rendue possible par sa structure cyclique. En effet, dans un sens comme dans l'autre, la proline expose un carbone ( α ou δ ) ... Et de ce fait, les interactions stériques sont presque équivalentes dans l'une ou l'autre configuration. La différence est moins marquée, ce qui fait que la forme TRANS n'est plus exclusivement privilégiée. Observez bien la structure cyclique de la Proline. Dans un sens comme dans l'autre, c'est quasiment pareil, les interactions stériques sont presque similaires.

b) La disposition des chaînes latérales varie avec leur polarité

De fait, les acides aminés orientent différemment leurs groupements latéraux, selon leurs affinités avec le milieu Exemple, agencement de l'hélice amphipathique « H » de la myoglobine : ↘ = à la fois polaire et apolaire 1. Les résidus non-polaires Val, Leu, Ile, Met & Phe se trouvent à l'intérieur de la protéine à l'abri de l'eau, par interactions hydrophobes. 2. Les résidus polaires chargés tels que Lys, Arg, His, Asp & Glu sont situés à la surface, en contact avec l'eau. 3. Les résidus polaires non chargés tels que Ser, Thr, Asn, Gln & Tyr sont habituellement à la surface. Néanmoins, à l'intérieur, ces résidus établissent des liaisons hydrogènes avec des résidus hydrophobes enfouis.

B) Force des liaisons hydrogène

Des liaisons hydrogène, sont également impliquées dans le maintien de la structure du polypeptide. En l'occurrence, les couples donneur/receveur sont le plus souvent les azotes N et oxygène O des acides aminés, qui se « partagent » électrostatiquement un atome d'hydrogène en étant successivement donneur ou accepteur de cet atome ( cf supra ). Par ailleurs, les carbones α font occasionnellement office de donneur faible. Ces liaisons ont des énergies d'association entre -12 et -40 kJ/mol. A savoir, le signe négatif devant les énergies de liaison souligne que ce serait l'énergie fournie par le système si elle était rompue.

a) La plupart des structures de cristallographie n'atteignent pas la résolution atomique

Du fait de leur origine, les cristaux de protéines sont fortement hydratés ( 40~60% d'eau en volume). Les molécules de protéines se présentent dans un désordre de plus d'un Angström. S'entend, par analogie avec l'optique, qu'il est difficile d'obtenir une résolution de plus d'1 Å du fait du désordre moléculaire -> On dit que le cristal à une limite de résolution de taille x. La plupart des cristaux protéiques ont des limites de résolution comprises entre 1,5 et 3 Å.

Modifications post-traductionnelles du collagène

Hydroxylation : - De résidus Proline -> en 3- et 4-hydroxyprolines ( par la prolyl hydroxylase ) - De résidus Lysine -> en 5-hydroxylysine -> Ces structures stabilisent le collagène, se déroulent dans le réticulum endoplasmique et nécessitent de l'acide ascorbique/vitamine C. Déficience en vitamine C : = Scorbutisme ( fragilité capillaire, gingivite, hémorragies sous-périostées, ... ) Glycosylation de résidus hydroxylysine ( glucose, galactose, ... )

L'intérieur d'une protéine se rapproche d'un cristal moléculaire plutôt que d'une goutte d'huile :

Il est efficacement rempli. Les chaînes latérales hydrophobes qui sont orientées vers le coeur de la protéine prennent des conformations relâchées avec des angles de torsion décalés de faible énergie ( A l'intérieur, les acides aminés apolaires se relâchent )

Application pratique, représentation de la structure par rayons X ( = cristallographie ) de la myoglobine de cachalot :

L'analyse permet de se rendre compte de la structure de cette protéine : Majoritairement constituée d'hélices α séparés par de courts segments de liaison de conformation enroulée.

a) Les interactions ioniques sont fortes mais ne stabilisent pas beaucoup les protéines

L'association de deux groupements protéiques ioniques de charges opposées s'appelle une paire d'ions ou pont salin -> L'énergie d'un couple d'ions typique, comme Glu-Lys, séparés de 4 Å, est égale à - 86 kJ/mol (!)

Diagramme de Ramachandran pour la Glycine :

La Glycine, le seul résidu sans atome de carbone en bêta ( Cβ ), est beaucoup moins encombré que les autres acides aminés. La Glycine occupe souvent des positions où le squelette peptidique fait un coude aigu, puisqu'elle peut assumer des angles bien plus extrêmes que les autres acides aminés -> La Glycine a plus de liberté conformationnelle

Les conformations du squelette peptidique peuvent être décrites par leurs angles de rotation

La conformation du squelette d'une protéine, en d'autres termes l'agencement des plans des liaisons peptidiques entre eux, est déterminée par la valeur des angles de rotation autour de la liaison N - Cα ( -> Phi, Φ ) et de la liaison C - Cα ( -> Psi, Ψ ). Par convention, la valeur des angles est égale à 180° dans leur pleine conformation plane.

A) Interprétation des structures des protéines par rayons X et par RMN

La cristallographie par rayons X donne immédiatement l'image de ces molécules. Cette technique consiste à exposer la protéine à un faisceau de rayons X et à analyser son spectre de diffraction par un compteur de radiations. Les rayons sont produits par des synchrotrons. Ces cristaux de protéines sont obtenus par cristallisation, avec addition de (NH4)2SO4 :

C) Les structures β

La même année de découverte que l'hélice α, Pauling et Corvey postulèrent l'existence d'un feuillet plissé β. Dans ces feuillets, les liaisons hydrogène s'établissent entre chaînes polypeptidiques voisines, l'une en face de l'autre, plutôt qu'à l'intérieur-même d'une chaîne comme dans les hélices α. C'est cette ouverture d'esprit qui explique la structure plissée

Malgré leur faible force et leur faible stabilité, ces liaisons hydrogène internes stabilisent la structure native/fonctionnelle des protéines :

La plupart des liaisons hydrogène dans une protéine sont locales : Elles impliquent des donneurs et des accepteurs qui sont très proches l'un de l'autre dans la séquence en acides aminés de la protéine de sorte qu'ils puissent facilement trouver leur partenaire. ( pas comme nous )

a) Les protéines globulaires peuvent présenter à la fois des hélices α ou des feuillets β

La plupart des protéines ont des quantités significatives des deux types de structures secondaires ( ~30% chacune ). Le reste formant des coudes, des tournants ou des boucles Ω.

1) STRUCTURE SECONDAIRE

La structure secondaire d'une protéine correspond à la conformation locale de son squelette - en hélices, feuillets plissés et coudes. Il s'agit donc d'un premier niveau de repliement de la chaîne polypeptidique.

B) Structure tertiaire

La structure tertiaire correspond d'une protéine correspond au repliement de ses éléments à structure secondaire entre eux, par exemple les hélices α, feuillets β, ... A savoir, les protéines présentent typiquement ~30% d'hélices α et ~30% de feuillets β :

b) Les interactions dipôle-dipôle sont faibles mais stabilisent significativement la structure des protéines.

Les associations non covalentes entre molécules électrostatiquement neutre s'appellent forces de Van der Waals. Leur énergie attractive est relativement faible ( -5~-10 kJ/mol ) et diminue très rapidement avec la distance ( facteur de décroissance 1/distance6 ). Cependant, le grand nombre de contacts interatomiques dans l'intérieur très encombré des protéines fait que ces forces jouent un rôle important dans la stabilisation de leur structure tridimensionnelle. Leur faible force est ainsi compensée par leur grand nombre. Les dipôles transitoires entre molécules non polaires s'appellent forces de dispersion de London

(b) Autres hélices polypeptidiques

Les autres hélices sont désignées par le symbole Nm où n indique le nombre de résidus/tour et m est le nombre d'atomes dans la boucle fermée par une liaison hydrogène : Le ruban 2,27 n'a jamais été observé, 310 se trouve parfois en courts segments ou coudes, l'hélice α 3,613 existe et l'hélice Π 4,416 est rarement observée dans les protéines. Comme le rappellent « 2,2, etc. », le nombre n est rarement un nombre entier.

c) Les protéines de grande taille forment des domaines

Les chaînes polypeptidiques de plus de 200 résidus se replient généralement en deux blocs qu'on appelle des domaines qui confèrent à ces protéines une forme bi lobée. A savoir, ces domaines topologiques correspondent en pratique également à des domaines fonctionnels. Dans la glycéraldéhyde 3-Phosphate déshydrogénase, le NAD+ se lie ainsi spécifiquement au domaine inférieur de la protéine, coloré en rouge, selon

Liaisons peptidiques cis et trans

Les groupements peptidiques présentent Quasiment toujours la configuration TRANS. Les carbones alpha ( Cα ) se suivent de part et d'autre de la liaison peptidique, dans le plan. Sur la figure ci-dessus, la liaison peptidique est mise en évidence par le petit trait rouge entre C et N. Le trait fluoré surligne l'alignement des atomes ( et par cela, la configuration ). Le gribouillis orange met en évidence l'encombrement stérique de la liaison CIS qui la rend moins stable ( Répulsion de ~8kJ/mol à vaincre ) et rend majoritaire la configuration TRANS. - Néanmoins, cette répulsion est moins grande dans les liaisons peptidiques suivies par un résidu Proline ( Du fait de sa structure).

Vue vers le bas dans l'axe de la spire, montrant l'interaction entre les bords non polaires des hélices α ( --- ).

Les hélices présentent une séquence heptamérique pseudo-répétitive dans laquelle les résidus a et d sont non polaires ( Exemple : Leucine ).

C) Interactions hydrophobes L'effet hydrophobe est le nom donné à l'ensemble des facteurs qui permettent aux substances non polaires de minimiser leur surface de contact avec l'eau, et la formation de micelles molécules amphipathiques ( telles que les savons ou toutes sortes de détergents )

Les interactions hydrophobes constituent un facteur essentiel dans la structure protéique. -> Elles sont le moteur du repliement des protéines. Le transfert d'un hydrocarbure ( apolaire ) de l'eau vers un solvant apolaire ressemble fort au transfert d'une chaîne latérale non polaire de l'extérieur d'une protéine en solution aqueuse vers l'intérieur de cette protéine, à l'abri : Ces deux processus sont spontanés.

Caractéristique d'une double liaison , Exemple : L'acide fumarique.

Les pointillés rouges soulignent le fait que les atomes en alpha des carbones impliqués dans la double liaison soient dans le même plan : 6 atomes dans le même plan mais deux configurations ( CIS + TRANS ).

Valeurs de Phi ( Φ ) et Psi ( Ψ ) observées dans les protéines :

Les points correspondent aux combinaisons d'angles conformationnels. Pour la plupart des résidus ils se situent dans les zones vertes autorisée, sauf pour la Glycine ( Cf page suivante ).

2) LES PROTÉINES FIBREUSES

Les protéines fibreuses sont des molécules insolubles dans l'eau. Elles sont très allongées et leurs structures secondaires sont les motifs structuraux dominants. Beaucoup de ces protéines, comme celles de la peau, des tendons et des os, servent de matériel structural jouant un rôle de protection, de connexion et de soutien. D'autres protéines fibreuses, comme les protéines musculaires et ciliaires ( cf MC Many ), ont des fonctions motrices, par exemple la myosine des muscles squelettiques, des muscles lisses et du muscle cardiaque.

3) LES PROTÉINES GLOBULAIRES

Les protéines globulaires comprennent par exemple les enzymes, les protéines de transport et les récepteurs. Les relations entre la structure et la fonction de ces protéines globulaires sont le résultat de déterminations de structures par rayons X ou résonance magnétique nucléaire. Ce chapitre étudiera essentiellement leurs structures.

4) STABILITÉ DES PROTÉINES

Les protéines natives ( dans leur conformation fonctionnelle ) sont à la limite de la stabilité dans les conditions physiologiques. L'énergie nécessaire pour dénaturer une protéine de 100 acides aminés dans des conditions aussi « précaires » est de l'ordre de seulement 40kJ/mol. ( En sachant que l'énergie nécessaire pour rompre une liaison hydrogène est de ~20kJ/mol ) La structure d'une protéine, et surtout sa perpétuité, est le résultat d'un fragile équilibre entre de puissantes forces compensatoires qui seront ici développées.

Les structures moléculaires des protéines sont largement simplifées

Les quelques centaines d'atomes, autres que l'hydrogène, d'une protéine rendent la compréhension de sa structure détaillée assez laborieuse. C'est la raison pour laquelle il est plus courant de représenter le squelette peptidique en n'indiquant que les Carbones α. Cette dernière représentation est en effet plus claire et cerne néanmoins l'essentiel.

D) Structures non répétitives

Les structures secondaires régulières - hélices et feuillets β - correspondent, en moyenne, à la moitié d'une protéine globulaire. S'entend, elles en constituent la moitié des structures. Les segments restants adoptent, eux, une conformation en solénoïde/coil ou en boucle. Pour rappel, ces coudes ( du fait de leur angulation ) sont entre autre permis par la Glycine :

A) Le groupement peptidique

Linus Pauling et Robert Corey ont déterminé par rayons X les structures de plusieurs acides aminés et de dipeptides. Il s'est avéré que le groupement peptidique possède une structure plane rigide, due à des interactions en résonance illustrées ci-dessous, qui confèrent à la liaison peptidique un caractère à environ 40% de double liaison. En d'autres termes, il y a en tout moment environ 40% de l'agencement qui correspond à une double liaison :

Les conformations de polypeptides permises sont données dans le diagramme de Ramachandran

On peut déterminer/prédire les valeurs de Φ et de Ψ stériquement possibles en calculant les distances entre les différents atomes d'un polypeptide pour toutes les valeurs de Φ et Ψ de l'unité peptidique centrale. En simple : à cause des répulsions entre atomes, certains agencements sont permis tandis que d'autres non ( En particulier ceux qui rapprochent trop certains atomes/groupes ). Les renseignements sur les valeurs permises ou non sont résumés dans le diagramme de Ramachandran, proposé par le biochimiste indien G. N. Ramachandran. On remarque que +/- 75% des zones de ce diagramme sont inaccessibles sur le plan conformationnel. Cela veut dire que sur toutes les combinaisons d'angles Φ et Ψ possibles, seulement 25% sont valables, toujours à cause des répulsions entre atomes. Exemple de combinaison d'angles impossible, Phi ( Φ ) = -60° et Psi ( Ψ ) = +30° :

B) Le collagène - Un câble à trois hélices

On trouve du collagène chez tous les animaux pluricellulaires. C'est une protéine extracellulaire organisée en fibres insolubles très résistantes à la tension. Il en existe une vingtaine de types différents. Elle est présente dans les os, le tissu conjonctif, les membranes basales, les dents, les cartilages, les tendons, les ligaments, les matrices fibreuses de la peau et des vaisseaux sanguins

A) La kératine-α - Une hélice d'hélices

Parmi ces protéines fibreuses, on distingue : - Les kératines α, que l'on retrouve chez les mammifères - Les kératines β, chez les oiseaux et les reptiles. Les kératines ( + de 30 gènes différents chez les mammifères ) appartiennent à des familles de protéines relativement acides ( Type I ) ou relativement basiques ( Type II ).

C) Bioinformatique structurale

Pour information : Les coordonnées atomiques des structures protéiques sont reprises dans des banques de données de protéines. Plus d'information dans les slides concernées.

Le collagène a une composition en acides aminés très particulière :

Près d'un tiers des résidus sont des glycines, 15 ~ 30 % sont des prolines ou 4-hydroxyproline ( Code : Hyp ). On trouve également, et moindrement, la 3-hydroxyproline et la 5-hydroxylysine ( Hyl ).

Feuillet plissé β antiparallèle à deux segments, mise en évidence de son aspect plissé :

Quand on les retrouve dans des protéines globulaires, ils représentent de 2 à 15 segments polypeptidiques. Souvent : 6 segments, largeur 25 Å, ~6 résidus & longueur ~ 21 Å

En somme ->

Rayons X = protéines sous cristaux : détermine l'agencement général. RMN = petites protéines globulaires : détermine les distances entre atomes

Représentation de la structure de l'hexokinase par rayons X/cristallographie

Répartition des charges positives + ( Lysine/Arginine ) et négatives - ( acides Glutamique / Aspartique ) à la surface de la protéine. En général, les acides aminés chargés/polaires sont restent à la surface des polypeptides.

Le feuillet plissé β :

Structure en feuillet plissé, composée de : - Chaînes polypeptidiques étirées : « brins β » -> Disposées parallèllement ou antiparallèlement ( Parallèle mais direction inverse ) - Les brins antiparallèles sont plus stables ( Du fait des liaisons à angle droit du brin ). - Phi ( Φ ) = - 139° et Psi ( Ψ ) = + 135° - Liées à leur voisine d'en face par des liaisons hydrogène - Projetant leurs chaînes latérales alternativement en dessus et dessous du plan. - Distance entre deux résidus ( « « pas » » ) : 7 Å -> Constitue parfois un empilement de feuillets : La soie. Les brins β antiparallèles sont plus stables que les brins β parallèles, qui se coudent.

c) Des anomalies du collagène sont à l'origine de plusieurs maladies chez l'homme

Telle qu'une ostéogenèse imparfaite, dues à des mutations dans une des chaînes du collagène de Type I ou III. Par exemple, le remplacement de la Glycine, du centre de l'hélice, par de l'Alanine entraîne une distorsion de la triple hélice et diminue sa température de dénaturation de 62°C à 29°C. -> ((Les gens se transforment donc en gélatine dans les conditions physiologiques

A contrario, les acides aminés apolaires ( Tyrosine, Phénylalanine et Tryptophane ) sont majoritairement enfouis dans le polypeptide :

Très peu de ces trois acides aminés transparaissent en effet à la surface

Le collagène est toujours constitué de 3 sous-unités :

Type I : peau, os, tendon, cornée, vaisseaux sanguins 2 sous-unités α 1 ( Type I ) 1 sous-unité α 2 ( Type I ) Type II : cartilage, disques intervertébraux 3 sous-unités α 1 ( Type II ) Type III : vaisseaux sanguins, peau fétale 3 sous-unités α 2 ( Type III ) a) Le collagène a une structure en triple hélice

B) Structure en hélice

Une hélice se forme quand une chaîne polypeptidique tourne d'un même angle à chacun de ses atomes Cα ( Qui est, pour rappel, la « jonction » entre deux plan de liaison ). Une hélice est caractérisée par le nombre « n » de résidus par tour et son pas « p », ce qui correspond à son allongement par tour d'hélice ( en Å ). «n» et «p» sont souvent décimaux. Une hélice est chirale et peut être de pas à droite ou à gauche. La stabilité des hélices ainsi que des autres structures secondaires est principalement due aux liaisons hydrogènes. Il existe plusieurs types d'hélices aux valeurs différentes. Elles feront, au même titre que les autres structures abordées, l'objet d'un récapitulatif synthétique en fin de chapitre. Note : L'incrément = p/n = « 1 acide aminé tous les xx Å »

Keratine humaine

Vitesse de synthèse de la kératine α humaine : 2 tours d'hélice α / seconde ≃ 10 Angstrom / seconde

Conformation :

arrangement dans l'espace qui dépend uniquement de la rotation d'atomes autour de liaisons chimiques. Ex : conformations chaises et bateau des pyranoses conformations éclipsée et décalée

Configuration :

arrangement dans l'espace qui ne peut être modifié sans rupture d'une liaison chimique. Ex : configurations CIS et TRANS des doubles liaisons configurations D et L ( = R et S ) autour d'un carbone chiral

Dans la structure du collagène, chaque 3ème résidu de chaque chaîne polypeptidique passe

au centre de la triple hélice, qui se trouve tellement encombrée qu'en fin de compte ... Seule la Glycine peut occuper cette position centrale

Néanmoins ... Très peu de paires d'ions sont effectivement enfouies dans le coeur hydrophobe d'une molécule d'une protéine, car

cela représente une perte d'entropie. Elles préfèrent rester solvatées à la surface, en contact avec l'eau, et ne participent de ce fait que modestement à la stabilisation de la structure intrinsèque d'une protéine native. Les forces ioniques sont grandes, mais peu nombreuses/efficaces du fait de l'agencement :Les a.a. polaires chargés préfèrent interagir avec l'eau que de renforcer la structure

Les rayons X interagissent presque exclusivement avec des électrons, pas avec les noyaux. Une structure par rayons X est donc uniquement l'image de la

densité électronique d'une molécule. Les analyses structurales modernes se font par ordinateur, où les cartes de densité électronique d'une suite de sections parallèles apparaissent en trois dimensions. Du fait de cette propriété, les atomes d'hydrogène sont invisibles aux rayons X.

La RMN peut suivre

des mouvements dans l'étude du repliement et de la dynamique des protéines. Par exemple, les changements conformationnels.

La structure d'une protéine obtenue par RMN n'est en réalité souvent qu'un

ensemble de structures possibles compatibles avec les contraintes stériques/géométriques. En d'autres termes, la spectroscopie fournit un ensemble de structures possibles qu'il faut évaluer.

L'agrégation, entre elles, de molécules apolaires minimise l'aire de la surface en contact avec l'eau. Les groupements apolaires sont ainsi

expulsés de la phase aqueuse par les interactions hydrophobes. Malgré que, par définition, le repliement des protéines implique une augmentation de l'ordre/diminution du désordre de ces molécules, c'est l'augmentation de l'entropie/désordre des molécules d'eau ( ΔSeau > 0 ) qui détermine ces interactions : -> C'est l'augmentation de l'entropie de l'eau qui rend possible ce processus

La structure primaire ( en acides aminés ) de la protéine doit-être connue, afin de

faire coïncider la séquence et sa carte de densité électronique.

Ce faisant, dans le scorbut, maladie due à une déficience en acide ascorbique/vitamine C, le collagène ne peut

former des fibres correctement, ce qui entraîne des lésions de la peau, une fragilité des vaisseaux sanguins et des cicatrisations laborieuses.

La plupart des protéines sous forme de cristal

gardent leurs conformations natives

La 4-hydroxyproline / Hyp stabilise le collagène par

l'intermédiaire de liaisons hydrogènes intramoléculaires

Le N - H de chaque Glycine établit une liaison hydrogène avec

l'oxygène du carbonyl d'un résidu X/Proline d'une chaîne voisine ( cf figure ci-dessus : tirets ---- ). Ces liaisons hydrogènes intercaténaires contribuent à stabiliser la structure

Dans des conditions qui inactivent la prolyl hydroxylase,

le collagène se dénature à seulement 24°C, en gélatine . La prolyl hydroxylase nécessite de l'acide ascorbique

Les techniques par RMN permettent de déterminer

les structures des protéines qui ne cristallisent pas.

Les méthodes actuelles de RMN ne permettent pas de déterminer la structure d'une protéine de

masse moléculaire supérieure à 40kDa

la qualité d'une carte de densité électronique varie selon

sa limite de résolution. Pour une résolution de 1,1 Å, les atomes ( à l'exception de l'hydrogène ) sont aisément discernables :

La structure tridimensionnelle native ( = repliée, fonctionnelle ) d'une protéine est déterminée par

sa structure primaire et elle présente un ensemble unique de propriétés. C'est donc bien la séquence en acide aminés qui conditionne le repliement postérieur.

Les propriétés d'une protéine sont essentiellement déterminées par

sa structure tridimensionnelle. De fait, les protéines qui sont à l'état dénaturé/déplié ont en fait des caractéristiques génériques très similaires. ( En simple, les protéines dénaturées ne se distinguent presque pas les unes des autres. )

Les résidus hydroxylés ( Hyl, Hyp, ... ) sont formés après la synthèse du collagène quand certains résidus Proline sont

transformés en Hyp par la prolyl hydroxylase, qui est une enzyme.

Une chaîne polypeptidique peut donc être considérée comme

une séquence de plans, qui correspondent chacun à une liaison peptidique qui sont unis les unes aux autres par les Cα. - -> C'est donc bien sur le plan, grisé, qu'est la liaison peptidique à proprement parler : 1(ROUGE) : Liaison peptidique à proprement parler. 2 : Liaison N - Cα. 3 : Liaison C - Cα

La détermination des structures tridimensionnelles de petites protéines globulaires est également possible grâce

à la spectroscopie par RMN à deux dimensions ( 2D ). Ces procédés fournissent les distances interatomiques de protons distants de moins de 5 Å, dans une protéine de séquence connue au préalable. Ls seules mesures de distance n'étant pas très précises, elles ne permettent pas d'en déduire une structure unique.

Molécule de collagène :

- Bâtonnets de ~300nm x 1,5nm - Trois chaînes = « chaînes α » ≠ hélices α - Hélices de pas à gauche - 3 résidus / tour de spire - Pas « p » = 9,4 Å = 0,94 nm - Incrément p/n = 3,1 Å = 0,31 nm - Comportant un motif répétitif : Gly - X - Y → X = Souvent une Proline, Y = Souvent une Proline ou 4- ou 3-hydroxyproline ou 5-hydroxylysine - Torsadée en une superhélice - Superhélice de pas à droite - 3 chaînes décalées d'1/3 par tout de spire - Glycine en occupe le centre ( cf figure ) - Liaisons hydrogène entre les chaînes, pour la cohésion - Aux extrémités : éléments non-hélicoïdaux ( servent à guider l'assemblage )

Exemples de feuillets β : Protéines globulaires : concanavaline A ( « lectine » du haricot sabre :D ... ) Immunoglobulines Carboxypeptidase A

- Contiennent souvent des feuillets β Particularité, la Triosephosphate isomérase, une enzyme impliquée dans la glycolyse : -> un feuillet β de huit segments formant une structure cylindrique appelée tonneau β :

Exemples de feuillets β :1) Protéine fibreuse : Fibroïne de la soie.

- Feuillets β antiparallèles - Alternance de résidus Ala ou Ser et d'une Gly ( Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ser ... ) - Inextensible/résistant dans une direction (1) - Souple dans l'autre direction ( 2 ) 1 : Résistance conférée par les liaisons hydrogène ( en pointillés --- ) 2 : Souplesse due interactions hydrophobes, de moindre force, entre les résidus saillants.

(a) L'hélice α

- Hélice α de pas à droite - 3,6 résidus par tour de spire - Pas « p » = 5,4 Å - Incrément = p/n = 1,5 Å - Phi ( Φ ) = - 57° et Psi ( Ψ ) = - 47° - Liaisons hydrogène entre le CO d'un résidu et le NH d'un résidu à 4 a.a. de lui. -> Distance optimale de 2,8 Å - Chaînes latérales vers l'extérieur et l'arrière - Dipôle - Coeur très compact - Pas de Glycine, ni de Proline - trop souple - trop circulaire - Stabilisation par : o Liaisons hydrogène o Forces de Van der Waals o Chaîne latérale ( Ala, Leu, Met, ... )

Pour rappel : Les doubles liaisons empêchent la rotation libre des atomes qu'elles lient.

C'est donc la forme de résonance en double liaison qui entretient la structure plane rigide. ( Bien qu'elle ne soit quantiquement présente qu'à 40%, cela suffit à maintenir la forme )

d) Les protéines sont faites de structures supersecondaires

En se combinant, des groupes de motifs supersecondaires ( = agencement des hélices, etc. ) peuvent former la structure tertiaire appelée «pli»/fold. Selon les mêmes schémas :

Carte de densité électronique de la myoglobine du cachalot.

Protéine ayant une résolution de 2 Å. Cette molécule contient un noyau hème, comme l'hémoglobine. Les lignes concentriques indiquent les différents niveaux de densité électronique, à la manière des lignes d'altitude sur une carte topographique. Le pic de densité électronique du centre représente l'atome de Fer, riche en électrons.

Par ailleurs, les homopolypeptides synthétiques ( = Protéines de synthèse répétant le même schéma d'acides aminés ), tels que la polyproline ou la polyglycine, précipitent sous forme

d'hélices gauches : de 3 résidus / tour et d'un pas p = 9,4 Å. Ces structures constituent le motif de base du collagène, qui est une protéine fibreuse contenant de fortes proportions de Proline et de Glycine.

b) Le collagène est organisé en fibrilles

L'aspect strié en microscopie électronique provient de l'arrangement décalé des molécules de collagène ( Cf M-C Many ... ).

Détails, la liaison hydrogène CO - NH ( a.a. + 4 ) :

Le CO de l'a.a. 0 se lie au NH de l'a.a 4

Représentation de la structure tertiaire de la concanavaline A du haricot sabre [...] obtenue par cristallographie par rayons X

Les flèches au sein du dessin représentent les feuillets β ainsi que leur orientation relative ( antiparallèle ou parallèle ).

Diagramme de Ramachandran :

Montre les combinaisons d'angles Phi ( Φ ) et Psi ( Ψ ) valables pour des liaisons peptidiques, ainsi que les structures auxquels ces angles correspondent ( Feuillets, etc ... )