Introduction

Les protéines sont constituées de CHO et N + S ou P. Ce sont des macromolécules soit de constitution (structure), soit de fonctionnement (enzymes). Les protéines sont le support de la spécificité biologique (antigènes). Il existe une infinité de protéines diverses. Les protéines représentent en masse 60 à 80% du poids sec des cellules animales.

I. Les acides aminés

I.A. Caractéristiques générales

Une exception : la proline.
Il existe 20 radicaux variables utilisés par la cellule. La conformation de la molécule est dictée par le carbone asymétrique. Dans la nature, seule la forme L est présente.

I.B. Les 20 acides aminés utilisés par la cellule

I.B.1. Acides aminés à chaîne latérale non polaire

La chaîne latérale n’est pas chargée donc pas de liaisons hydrogène avec l’eau. Ce sont des radicaux hydrophobes.

I.B.2. Acides aminés à chaîne latérale à charge faible

Charge ∂⁺ ou ∂^- (groupements OH, SH, NH₂). Ce sont des radicaux polaires. Ils forment des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau. Les radicaux polaires sont hydrophiles.

I.B.3. Acides aminés à chaîne latérale chargée (charge nette)

I.B.3.a. Radicaux chargés négativement

Ce sont des acides aminés acides COOH → COO^-

I.B.3.b. Radicaux chargés positivement

Ce sont des acides aminés basiques NH₂ → NH₃⁺

La charge présente dépend du pH. Quand la charge est présente, la molécule est soluble et le radical est très réactif. Il existe d’autres acides aminés dans les protéines. Ils sont modifiés après incorporation.

I.C. Propriétés électriques des acides aminés

I.C.1. Les propriétés acide - base des acides aminés

Les acides aminés cristallisés ont un point de fusion très élevé (+ de 200°C). Il faut chauffer très fort pour les séparer. Ils sont fortement attirés les uns par les autres par des forces supérieures à Van Der Valls (gravimétriques). Ils sont attirés par des forces ioniques. Ces molécules sont donc très solubles dans l’eau.

Conséquences : ils possèdent des propriétés acides – basiques.

I.C.2. Etat des acides aminés en fonction du pH

Titration des acides aminés.

I.C.2.a. L'alanine = acide aminé à chaîne latérale non ionisable

k = constante d’équilibre.
On est en présence d’une courbe double → diacide. Il existe deux zones tampon ou points de demi-titration. A l’équilibre [A⁺] = [B°]. La zone tampon des acides aminés est différente u pH du sang.
pH_i = pH isoélectrique = valeur du pH pour laquelle la majorité des formes de l’acide aminé est non chargée (zwitterion) [A⁺] = [C^-].

I.C.2.b. Acides aminés à chaîne chargée

I.C.3. Intérêt pratique du pH_i

On peut connaître la charge d l’acide aminé en fonction du pH_i.
Si pH < pH_i → aa⁺ cation
Si pH > pH_i → aa^-- anion
Si pH = pH_i → aa°

I.C.3.a. Séparation des acides aminés

• Par électrophorèse

Exemple : solution d’acides aminés à pH 8,6 Glycocole pHi = 6,1 Glutamine pHii = 5,61 Arginine pHi = 10,26

• Par chromatographie échangeuse d’ions

Ces procédés sont entièrement automatisés. L’analyse d’une solution donnée conduit à la composition qualitative et quantitative du mélange.

I.D. Autres propriétés des acides aminés

I.D.1. Coloration à la nihydrine

(oxydant fort → décarboxylation oxydative) donne une coloration pourpre intense en présence d’un grand nombre d’acides aminés. Ensuite, le dosage se fait par spectrophotométrie.
Remarque : la proline n’est pas colorée en pourpre mais en jaune.

I.D.2. Absorption de UV par certains acides aminés

Tous les acides aminés possédant un noyau aromatique absorbent les UV. Cette propriété est utilisée pour le dosage des protéines.
Fonction amine / acide, radicaux variables
Zwitterion amphotère. La charge est fonction du pH.

II. Structure primaire des protéines

II.A. L'enchaînement des acides aminés : la liaison peptidique

• Caractéristiques de la liaison peptidique (Pauling et Corey)

Etude des molécules par diffraction aux rayons X. Le principe est le suivant : sur des molécules cristallisées, on envoie des rayons X qui sont déviés par les groupements atomiques. En examinant les images de diffraction, on déduit la situation des groupements atomiques les uns par rapport aux autres.
La liaison peptidique est plus courte qu’une liaison amide normale. Elle est intermédiaire entre une liaison simple et une liaison double. La liaison est donc plus stable qu’une liaison simple classique.

Aux rayons X, on montre que les atomes O=C-N-H sont coplanaires. La liaison C=O est plus longue qu’une liaison double classique. Les liaisons C=O et C-N ont des caractéristiques intermédiaires entre les liaisons simples et doubles. Les électrons de la liaison C=O sont délocalisés entre C et N.

• Conséquence de cette structure

N-H ne peut plus s’ioniser. Les atomes sont coplanaires, donc la liaison entre C et N ne peut pas tourner. Protéine → armature carbone α, amine, acide.

II.B. Détermination de la structure primaire d'une protéine

C’est la détermination de l’ordre des acides aminés de cette protéine. Structure linéaire non ramifiée.

III. Conformation tridimensionnelle des protéines - Structure d'ordre supérieur

III.A. Structure secondaire

III.A.1. Structure en hélice α

Exemple Kératine α (cheveux). C’est une molécule de structure insoluble. Elle possède beaucoup de styrène, donc de groupements SH.

III.A.1.a. Observation aux rayons X

Molécule irisée, linéaire. Périodicité de structure : 0,5 à 0,55 nm.

III.A.1.b. Modèle de Pauling et Corey

Il intègre la périodicité et les caractéristiques de la liaison peptidique.

III.A.1.c. Conditions de l'existence de l'hélice α

Seules certaines protéines sont en hélice α. La proline s’intègre mal dans l’hélice α à cause des radicaux. L’hélice α ne peut exister si les radicaux sont trop volumineux, ou s’il y a des interactions électriques entre les radicaux (de même charge).
Si ces radicaux sont hydrophobes, la protéine est insoluble (kératine). S’ils sont chargés, la molécule est soluble. On retrouve la structure en hélice α dans le cheveux, la myosine…
Il est très rare que toute la molécule soit en hélice α. En général, une ou plusieurs portions sont en hélice α.

III.A.2. Structure en feuillets ß

Exemple : kératine β (soie). Aux rayons X, la structure est très différente.

La structure en feuillet β est plus extensée que la structure en hélice α. Les liaisons hydrogène stabilisent cette structure.

• Conditions d’existence

Les radicaux doivent être très petits et pas de charges contraires. La kératine α peut passer sous forme de feuillets β. Il faut chauffer et oxyder les ponts disulfures (HS-SH) et les liaisons hydrogènes.

III.A.3. Autre structure

La structure primaire est telle que l’hélice α et le feuillet β ne peuvent se former. On parle de pelote statistique.
Toutes les protéines constituées essentiellement d’hélices α et de feuillets β sont fibreuses (tissu conjonctif) : Elastine, collagène = protéines de structure.

III.B. Structures tertiaires (d'ordre supérieur)

La protéine est généralement globuleuse.

III.B.1. Exemple de la myoglobine

Molécule spécifique aux cellules musculaires. Elle a pour fonction de fixer l’oxygène. Hélice α repliée.

Au centre, on trouve un groupement prosthétique (non protéique) qui contient un atome de fer qui fixe l’oxygène.
C’est une hétéroprotéine = protéine + groupement prosthétique

III.B.2. Exemple de la lysozyme

Hélices α + feuillets β + autres zones indéfinissables. Le tout est replié en une structure globuleuse. Entre les brins, il y a des ponts disulfures –R-S-S-R’- le plus souvent entre 2 cystéines qui peuvent êrte très éloignées l‘une de l’autre sur la chaîne.

III.B.3. La conformation tertiaire est stabilisée par des liaisons ou des interactions intrachaîne

Ces liaisons ne sont pas responsables de la conformation. Elles ne font que stabiliser une conformation existante.
Il peut y avoir

• des liaisons
  
  • covalentes (SH cystéine)
    
  • hydrogènes
    
• des interactions
  
  • hydrophobes
    
  • de Van der Waals (gravimétriques faibles)
    
  • résidus non polaires
    

La structure tridimensionnelle est stable. Importance des liaisons hydrogène.

III.B.4. Les interactions avec l'eau sont responsables de la conformation tridimensionnelle

La forme de la molécule est déterminée par son affinité avec l’eau Hydrophile (chargée) / hydrophobe (non chargée).
Hydrophile = liaisons H avec l’eau. Charges à l’extérieur de la molécule.
Hydrophobe = pas de liaisons H avec l’eau. Liaisons H rassemblées au cœur de la protéine.
L’élaboration d’une structure tertiaire ne requiert pas d’énergie de la part de la cellule. C’est une forme spontanée. La structure primaire est responsable de la structure tertiaire (disposition des radicaux). La conformation tridimensionnelle fait apparaître des sites sur la protéine (pièces de puzzle). Ces conformations spatiales spécifiques forment des zones réactionnelles qui peuvent réagir et avoir des interactions avec d’autres molécules (exemple des enzymes spécifiques).
Ces sites réactionnels proviennent de l’élaboration des structures supérieures : exemple de l’actine G.
Complémentarité des sites.

III.C. Structure quaternaire

Plusieurs protéines à structure tertiaire peuvent s’associer pour donner une protéine à structure quaternaire. La protéine est constituée de plusieurs polypeptides.Chaque sous unité est appelée oligomère.
Exemple de l’hémoglobine.

Elle est constituée de 4 chaînes associées : 2 chaînes α (141 aa) + 2 chaînes β (146 aa) = 574 aa.
Chaque chaîne est une hétéroprotéine (protéine + groupement prostétique). Les chaînes α et β sont liées latéralement et les liaisons entre ces chaînes sont des liaisons intrachaîne.
Ces chaînes sont associées car elles présentent des conformations tridimensionnelles complémentaires. Cette structure quaternaire est conditionnée par la structure primaire.
Exemple : la drépanocytose ou anémie falciforme.
Les globules rouges sont déformés car la molécule d’hémoglobine est altérée dans sa structure. La différence entre l’hémoglobine normale et l’hémoglobine anémiée provient d’un seul acide aminé. L’acide aminé n°6 de la chaîne β n’est pas le bon. Au lieu de l’acide glutamique (hydrophile), c’est la valine (hydrophobe). La structure tertiaire s’en trouve modifiée. Donc la structure quaternaire est elle même modifiée.

III.D. Les structures d'ordre supérieur peuvent se modifier

On parle alors de transition allostériques. Les « pompes membranaires » sont constituées de protéines. Le changement de conformation entraine une réaction de pompe.
Le changement est une transition allostérique provoquée (ATP = énergie). La conformation spontanée adoptée par une protéine est la plus stable et ne requiert pas d’énergie pour se maintenir.

Modification de conformation de la myosine : transition allostérique (ATP) Modification des microtubules dans les cils et flagelles (ATP) Déplacement des vésicules à la surface d’un microtubule (ATP) La structure n’est pas figée, il y a possibilité de changement de conformation qui entraîne un mouvement intra ou extra cellulaire.

IV. Les différents types de protéines d'un point de vue fonctionnel

• Les enzymes sont les protéines qui assurent les réactions métabiliques
  
• Les protéines de transport des ions dans les membranes (pompes), des gaz (hémoglobine), des lipides (du foie vers les autres organes) les lipides étant insolubles. Si complexe lipide-protéine, alors soluble.
  
• Les protéines nutritives de réserve : ovalbumine, caséine.
  
• Les protéines motrices ou contractiles : actine, myosine.
  
• Les protéines de structure : kératine, collagène, élastine.
  
• Les protéines de défense : immunoglobulines = anticorps, fibrinogène (arrêt des hémorragies).
  
• Les protéines régulatrices : hormones.

Il existe une très grande diversité de fonctions biologiques pour les protéines. Il existe une infinité de protéines possibles et de conformations tridimensionnelles possible. Seules les protéines de structure ont une structure secondaire. Les autres ont une structure tertiaire voire quaternaire.
La fonction biologique n’est pas seulement due à la structure primaire mais q=aussi à la structure tertiaire.
Un changement de structure entraîne des propriétés différentes. Le retour à la conformation d’origine entraîne le retour des propriétés d’origine.