5.2.- Les chaînes peptidiques et leur nomenclature

Cahier de formation Biochimie structurale et métabolique UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie Département des Sciences Biologiques

Dr BOUAL Zakaria

Les protéines

2014/2015 1

Table des matières 1.- Généralités

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Historique

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Terminologie

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2.- Acides aminés constitutifs des protéines

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2.1. Acides aminés à chaîne latérale apolaire

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2.1.1.- Chaîne latérale aliphatique

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2.1.2.- Chaîne latérale aromatique

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2.1.3.- Chaîne latérale avec un atome de soufre

4

2.1.4.- Acides aminés à chaîne latérale polaire

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2.1.5.- Chaîne latérale polaire non chargée

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2.1.6.- Chaîne latérale polaire chargée (ionisable)

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3.- Propriétés physiques

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3.1.- Chiralité

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3.2.- Absorption

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3.3. Solubilité

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4.- Propriétés ioniques

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5.- Les peptides

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5.1.- La liaison peptidique

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5.2.- Les chaînes peptidiques et leur nomenclature

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5.3.- Détermination de la structure d'un peptide

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5.3.1.- Hydrolyse de la liaison peptidique

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5.3.2.- Séparation et dosage des acides aminés

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5.4.- Peptides d'intérêt biologique

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6.- Les protéines

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6.1.- Structure primaire

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6.2.- Structure secondaire

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6.3.- Structure tertiaire

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6.4.- Structure quaternaire

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7.- Catabolisme des acides aminés

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1.- Généralités Une protéine est une macromolécule biologique composée d’une ou plusieurs chaînes d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques (chaine polypeptidique). Les protéines jouent un rôle fondamental dans la structure et les fonctions cellulaires et c’est par elles que l’information génétique s’exprime. Elles sont intimement liées à tous les phénomènes physiologiques d’où leur nom substances venant en premier (en grec protos signifie premier). Les protéines présentent une extraordinaire diversité de fonction : 

Les protéines de structure

Ces protéines comme la kératine, le collagène, l’élastine, etc sont présentes dans tous les tissus comme le muscle, l’os, la peau, les organes internes, les membranes cellulaires et organites intracellulaires. Leur fonction dépend de leur structure. Souvent, il s’agit de protéines fibreuses. 

Les protéines à activité biologique

Dans la nature tous les phénomènes biologiques passent à un moment ou à un autre par des protéines. Il est possible de citer les : - Enzymes: plus de 2000 décrites, activité catalytique spécifique - Hormones: (insuline, somatotrophine, etc) - Protéines contractiles et du mouvement: (myosine, actine, tubuline , etc) - Protéines de transport dans le sang (transferrine, hémoglobine, myoglobine) ou au travers de membranes cellulaires - Protéines protectrices: (Anticorps ou immunoglobulines, fibrinogène, thrombine) - Protéines de réserve: (ovalbumine, glycinine, gliadine, zéine) - Protéines toxiques: pour l’homme (toxines botuliniques, staphylococciques, venins de serpents, de scorpion, ricine) ou pour les microorganismes (bactériocines, antibiotiques) - Protéines d’identification cellulaire - Protéines anti-nutritionnelles: (inhibiteur trypsique du soja, hémagglutinines) - Protéines allergènes 

Protéines alimentaires

Il ne s’agit pas d’un groupe unique mais d’un groupe composé de protéines de structure ou biologiquement actives. Il s’agit de protéines savoureuses, digestibles, non toxiques, économiquement utilisables. Elles permettent de satisfaire aux besoins en acides aminés essentiels qui varient en fonction de l’âge et de l’état physiologique. Le déficit protéique actuel est très grand au niveau mondial et plus de 25 % de la population souffre de malnutrition.

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Historique 1839 : le chimiste hollandais Gerrit MULDER publia des résultats sur l'analyse de la fibrine du sang, des albumines du sérum sanguin et de l'œuf. Ceux-ci indiquaient que c'étaient des composés quaternaires (C, H, O, N) avec des pourcentages quasiment identiques pour ces quatre atomes et qui contenaient des traces variables de soufre et de phosphore. 1902 : Après une période d'identification des composants, les acides α-aminés, FISCHER et HOFMEISTER présentèrent chacun, le même jour, lors d'un congrès le mode de liaison des acides aminés dans les protéines: la liaison peptidique. 1938 : sur la suggestion du chimiste suédois BERZELIUS, MULDER désigna ces composés sous le nom de protéines.

Terminologie

Protides : composés organiques contenant C H O N (50, 7, 23, 16 %) et souvent S (0 à 3 %). Peptides : comprenant au moins deux résidus d'acides aminés reliés par la liaison peptidique. Oligopeptide : petit nombre d’amino-acides reliés par la liaison peptidique (moins de 10) (dipeptides, tripeptides, tétra, penta etc). Certains sont cycliques. Polypeptide : est réservé aux peptides de 10 à 100 résidus amino-acides. Protéoses : obtenues par hydrolyse partielle des protéines, hydrosolubles, non thermocoagulables, précipitables par une solution de NaCl saturée. Peptones : obtenues par hydrolyse partielle poussée des protéines, hydrosolubles, non thermocoagulables, non précipitables par une solution de NaCl saturée. Homoprotéine : Protéine monomérique constitué uniquement d'acides aminés avec un nombre de monomères qui dépasse 100. Hétéroprotéines : c’est une protéine constituée d'une partie protéique appelée apoprotéine (composée d'acides aminés) et d'une partie non protéique appelée groupement prosthétique, qui est une molécule non protéïque. Par exple : Nucléoprotéines : combinaison avec des acides nucléiques. Lipoprotéines : liaison avec des lipides. Glycoprotéines liaison avec un glucide Phosphoprotéines: sérine et thréonine estérifiées par un groupement phosphate: les caséines des laits avec environ 4% de phosphate. Hémoprotéines avec un groupement prosthétique porphyrinique (hémoglobine 4%, cytochrome C 4%, catalase 3,1%, myoglobine). Flavoprotéines avec FAD-flavine adénine dinucléotide. Ex: succinate deshydrogénase 2%. Hémoprotéines et flavoprotéines sont qualifiées de chromoprotéines. 6

Métalloprotéines liées à un métal ou un sel. Ex: Cu (céruloplasmine).

2.- Acides aminés constitutifs des protéines Les acides aminés sont des molécules portant un groupement amine (NH2) sur le carbone porteur du groupement carboxyle (COOH), dit carbone α. La fonction amine est une base et la fonction carboxyle est un acide (fonctions ionisables). Ce sont des acides α-aminés (ou encore 2-amino-acides), exception pour la proline qui a une amine secondaire (acide α-iminé). Leur formule générique s'écrit :

Le résidu R est un résidu variable qu'on appelle la chaîne latérale. On distingue : - les R aliphatiques à : - chaîne carbonée de type carbure, linéaire ou branchée - chaîne carbonée portant des groupements fonctionnels (acide, amide, alcool, thiol, amine, guanidine) - les R cycliques : - aromatiques - hétérocycles à azote

Environ 20 acides aminés sont rencontrés dans les hydrolysats de protéines. D’autres plus rares jouent parfois des rôles biologiques importants. L’usage en biochimie leur a attribué un nom commun, généralement à suffixe “ine”, rappelant l’origine ou l’une des propriétés. Les acides aminés peuvent être classés d’après la structure et les propriétés de leur chaîne latérale, R, chaîne qui contribue par ses propriétés physico-chimiques, aux propriétés de la protéine qui les contient (figure 1 et tableau 1).

Les animaux supérieurs sont incapables de biosynthétiser la totalité de ces acides aminés. Chez l'homme, l'isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la thréonine, le tryptophane et la valine doivent être apportés par la ration alimentaire, ils sont qualifiés d'indispensables. A ceuxci, on peut ajouter des acides aminés essentiels que l'organisme synthétise à une vitesse trop lente : l'arginine et l'histidine, qui sont indispensables pour le nouveau-né ou l'enfant.

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Parmi les différentes classifications possibles, l’une des plus utilisées repose sur la polarité et les possibilités d’ionisation de cette chaîne. 2.1.- Acides aminés à chaîne latérale apolaire

2.1.1.- Chaîne latérale aliphatique

Glycine : Il s’agit du plus simple des acides aminés (R = H).

Alanine : R est un groupement méthyle

Valine : R est un groupement isopropyle

Leucine : R est un groupement isobutyle

Isoleucine : R est un groupement butyle secondaire

Proline : iminoacide dérivé de la pyrrolidine. Par sa “rigidité”, elle joue un rôle très important dans les structures protéiques.

2.1.2.- Chaîne latérale aromatique

Phénylalanine (Phe, F): R est un groupement phényle

Tryptophane (Trp, W) : R est un groupement indole, il est considéré comme apolaire dans la plupart des protéines dans des conditions “normales” de pH. Certains des dérivés du tryptophane possèdent des activités physiologiques; la sérotonine est un neurotransmetteur cérébral.

2.1.3.- Chaîne latérale avec un atome de soufre

Méthionine (Met, M) : groupement thioéther. Donneuse de groupement méthyle, elle est essentielle, peu abondante, ell est souvent limitante dans les protéines alimentaires et est très sensible aux réactions d’oxydation.

2.1.4.- Acides aminés à chaîne latérale polaire

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Cette polarité partielle (- ) ou totale (+ ou -) est liée à la présence de fonctions organiques contenant un hétéroatome d’électronégativité supérieure à celle du carbone et de l’hydrogène (O, S, N).

2.1.5.- Chaîne latérale polaire non chargée

Ces acides aminés qualifiés d’hydrophiles possèdent une chaîne latérale à groupement fonctionnel capable de former des liaisons hydrogène avec des molécules comme l’eau (hydratation) ou avec d’autres résidus polaires ce qui contribue à la structure des molécules protéiques.

Sérine (Ser, S) et thréonine (Thr, T) possèdent une fonction alcool primaire ou secondaire qui leur permet d’être estérifiées (en particulier par l’acide phosphorique)

Tyrosine (Tyr, Y) : Elle possède une fonction phénol qui ne s’ionise significativement qu’à des pH très élevés.

Cystéine (Cys, C) : La fonction thiol R - SH peut participer à la liaison hydrogène, son ionisation n’intervenant également que pour des pH élevés. Par oxydation, deux molécules se condensent en cystine (pont disulfure). Ces ponts covalents jouent un rôle important dans la stabilisation des structures spatiales des protéines.

Glutamine (Gln, Q) et asparagine (Asn, N) : Ces acides aminés possèdent une fonction amide apte, par la présence simultanée d’oxygène et d’azote, à donner deux liaisons hydrogène. Abondantes dans les protéines, elles contribuent à l’établissement de liaisons intra et intermoléculaires de forte énergie cumulée; ces liaisons jouent un rôle déterminant dans les propriétés rhéologiques des pâtes et gels alimentaires. La fonction amide est facilement hydrolysable en milieu acide à des températures voisines de 100°C. Ces acides aminés jouent un rôle important dans le transport et la mise en réserve de l’azote.

2.1.6.- Chaîne latérale polaire chargée (ionisable)

Il s’agit de chaînes à groupement carboxylique à caractère acide ou à caractère basique (amine, guanidine, imidazole). Acides aspartique et glutamique sont chargés négativement à des pH voisins de 7.

Lysine : Elle est chargée positivement à des pH voisins et inférieurs de 7, elle est essentielle en nutrition humaine et limitante dans de nombreuses protéines d’origine végétale.

Arginine : Son groupement guanidique peut se combiner à l’acide phosphorique, le dérivé formé étant impliqué dans les phénomènes de contraction musculaire des invertébrés. Elle intervient dans le cycle de l’urée. Facilement décomposée en milieu alcalin en urée et ornithine.

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Histidine : Son noyau imidazole est d’une grande réactivité à cause de sa structure électronique (pKa = 6) et participe à de nombreuses réactions biochimiques et à plusieurs processus physiologiques (contraction musculaire, transmission neuromusculaire).

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3.- Propriétés physiques 3.1.- Chiralité A l'exception de la glycine, le carbone α porte quatre substituants différents : c'est donc un centre chiral dont la conformation définira les stéréoisomères, isomères optiques à pouvoir rotatoire spécifique opposé. Les deux énantiomères sont définis de la même manière que pour les oses en prenant le glycéraldéhyde comme référence dans la représentation de Fischer :

Les acides aminés des protéines appartiennent tous à la série L. Comme pour les oses, aucune prédiction du pouvoir rotatoire ne peut être faite : un aminoacide de la série L peut être lévogyre ou dextrogyre.

3.2.- Absorption - les aminoacides n'absorbent pas la lumière visible, leurs solutions sont incolores. - les chaînes latérales aromatiques des aminoacides ont des spectres d'absorption caractéristiques dans l'ultraviolet moyen :

Tous les acides aminés présentent une absorption importante aux longueurs d’onde inférieures à 230nm. Les acides aminés aromatiques absorbent à 270-280 nm (TRP 278-280 nm, TYR 275 nm). 13

La phénylalanine absorbe peu et le tryptophane est 4 fois plus absorbant que la tyrosine au maximum d'absorption, proche de 280 nm. Cette propriété est très souvent utilisée pour le dosage des peptides et des protéines. Remarquons que l'absorption de la tyrosine dans l'UV sera dépendante de l'état d'ionisation du phénol et par conséquent du pH. 3.3.- Solubilité La solubilité des aminoacides dans l'eau (de un gramme à une centaine par litre) va dépendre essentiellement de deux facteurs : - le double groupement fonctionnel commun qui peut s'ioniser et donc favoriser la dissolution - la chaîne latérale qui peut avoir un caractère plus ou moins polaire ou apolaire. La solubilité dans les solvants organiques est faible de quelques mg/L et encore moins dans les solvants plus apolaires. En présence de deux phases liquides (éthanol/eau), les aminoacides se répartissent dans les deux phases avec des coefficients de partage spécifique : cette propriété est utilisée pour les classer.

4.- Propriétés ioniques

Il s’agit d’une propriété essentielle qui conditionne le comportement des acides aminés en solution puis, par généralisation, celui des protéines surtout en fonction du pH du milieu.

Le point isoélectrique ou pH isoélectrique est le pH pour lequel la charge de l’ion dipolaire est nulle.

Un acide est un composé capable de céder un proton et une base un composé capable de capter un proton.

AH est un acide et A- la base conjuguée : l’ensemble est un couple acide base dans lequel plus l’acide est fort (équilibre déplacé vers la droite) plus la base conjuguée est faible.

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Le pKa correspond au pH de demi salification de l’acide faible par une base forte.

On obtient

Cette relation permet le calcul approché du pH d’un mélange d’acide faible (AH) et de sa base conjuguée (A-) et inversement il est possible de prévoir l’état de dissociation d’un acide faible connaissant le pH de la solution.

Pour une constante de dissociation basique Kb

-

Les deux ionisations des acides aminés.

Les acides aminés possèdent une fonction carboxylique protonisable

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et une fonction amine pouvant fixer un proton par liaison coordinative

En solution un acide aminé peut se présenter sous trois formes (la forme neutre est le zwitterion):

Si on représente le pourcentage de dissociation en fonction du pH on a :

Pourcentage d’ionisation de fonctions acides aminées en fonction du pH

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La courbe de titrage de la glycine est la suivante:

Courbe de titrage de la glycine Tous les acides aminés qui comme la glycine, ne possèdent qu’un COOH et un NH2 ont leur pHi situé entre 5 et 6,5 et ils sont qualifiés de neutres. Avec l’acide glutamique il y a 3 dissociations mais pas de zone isoélectrique car pK1 et pK2 sont très voisins

Courbe de titrage de l’acide glutamique

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Au pHi on a autant de charge + que de charges - soit : [A+] = [A±] + [A2-] / 2 (puisque une mole amène 2 charges) ; (A± a une charge nulle) Pour que A+ existe, il faut que le pH soit bas ce qui conduit à pH > K2

Les acides aminés sont des ampholytes qui en fonction du pH environnant se comporteront soit comme des acides faibles (donneurs de protons) soit comme des bases faibles (accepteurs de protons). Dans une solution leur charge sera donc directement liée au pH.

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5.- Les peptides Les chaînes peptidiques sont le produit de la polymérisation covalente des aminoacides par une liaison peptidique. Elles diffèrent par le nombre, la nature et l'ordre des aminoacides.

5.1.- La liaison peptidique La liaison est de type amide substituée : élimination d'eau entre les groupes α-COOH et α NH2 de deux aminoacides. Cette liaison amide lie les deux carbones Cα des deux aminoacides.

Les électrons π du groupe carbonyle et le doublet électronique libre de l'azote sont très proches. La résonance de ces électrons donne au groupe peptidique des structures intermédiaires entre deux formes mésomères.

Cette liaison est intermédiaire entre une simple et une double liaison qui implique les propriétés suivantes : -

La structure du groupe peptidique est rigide : les 6 atomes sont coplanaires. Les angles des liaisons pour le carbone et pour l'azote avec leurs substituants sont de 120° ; Les 2 carbones Cα se placent de part et d'autre du pont C-N dans la configuration trans la plus favorable thermodynamiquement ; De part et d'autre de cette structure rigide, les rotations des groupes des liaisons Cα-N et Cα-C sont libres et seulement limitées par l'encombrement stérique.

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Les atomes d'oxygène et d'hydrogène d'une liaison peptidique sont d'excellents accepteurs et donneurs de liaisons hydrogène.

5.2.- Les chaînes peptidiques et leur nomenclature

Les chaînes peptidiques sont vectorisées : les liaisons peptidiques attachent les acides aminés dans un ordre spécifique. Les conventions sont les suivantes : - les aminoacides engagés dans une chaîne peptidique sont appelés résidus. Leur nom est celui de l'aminoacide auquel on ajoute le suffixe yl. - les deux aminoacides aux extrémités de la chaîne sont appelés : N-terminal pour celui qui a sa fonction α-aminée libre et C-terminal pour celui qui a sa fonction α-COOH libre. - on numérote les aminoacides en écrivant l'enchaînement de gauche à droite à partir de l'extrémité Nterminal.

5.3.- Détermination de la structure d'un peptide

La détermination de la structure primaire d'un peptide est conduite en deux étapes : 1) détermination de la composition en aminoacides 2) détermination de l'ordre des enchaînements des résidus Ces deux étapes ont comme point commun l'hydrolyse de la liaison peptidique.

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5.3.1.- Hydrolyse de la liaison peptidique

La liaison peptidique est très stable, son hydrolyse spontanée est quasiment nulle.

5.3.1.1.- Hydrolyse chimique complète L'action de l'acide chlorhydrique (HCl) 6M sur un peptide, à ébullition pendant au moins 24 heures, aboutit à un hydrolysat contenant les aminoacides avec toutefois les restrictions suivantes : - l'aminoacide acide tryptophane est entièrement détruit. - les amides (Asn, Gln) sont hydrolysés en ammoniac et acides correspondants (Asp, Glu). - certains aminoacides (Tyr, Ser, Thr) peuvent être partiellement détruits (un temps d'hydrolyse plus faible permet de résoudre le problème).

5.3.1.2.- Hydrolyse chimique spécifique

Elles consistent à traiter le peptide avec un réactif adapté pour former un dérivé stable caractéristique des fonctions C ou N terminales. Ce dérivé est isolé du peptide par hydrolyse puis séparé et dosé. La première méthode utilise la réaction de Sanger. Les fonctions amine des acides aminés et peptides réagissent avec le 2,4-dinitrofluorobenzène pour former des dérivés jaunes, les 2,4dinitrophényl-peptides. Lorsque ces composés sont soumis à une hydrolyse acide, toutes les liaisons peptidiques sont hydrolysées, mais la liaison entre la fonction 2,4-dinitrophényl et la fonction amine de l'acide aminé N-terminal reste stable. On pourra par la suite identifier cet acide aminé, par chromatographie par exemple. Ils permettent le dosage de l’acide aminé N terminal mais aussi, dans des conditions adaptées des amines des chaînes latérales (LYS).

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La deuxième méthode utilise le chlorure de dansyle, qui combiné à une hydrolyse totale acide forme un Dansyl-Acide Aminé1 (DNS-aa) qui est fluorescent et un hydrolysat.

Une troisième méthode est celle d'Edman, dans laquelle le phénylisothiocyanate (PITC) réagit avec la fonction amine N-terminale pour donner un complexe qui, après action d'un acide dans des conditions douces libère une phénylthiohydantoïne et un peptide coupé de son aminoacide N-terminal: en itérant le processus, la détermination de la structure primaire de la protéine sera possible (dégradation récurrente d'Edman). Les deux premières méthodes utilisant une hydrolyse totale acide, le reste de la chaîne peptidique voit ses acides aminés clivés. Le grand avantage de la méthode d'Edman est que la chaîne peptidique reste intacte et peut être récupérée et soumise à nouveau au traitement avec le PITC.

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5.3.1.3.- Hydrolyse enzymatique L'hydrolyse des liaisons peptidiques peut être réalisée par des enzymes protéolytiques (ou protéases ou encore peptidases) qui sont des hydrolases. La spécificité principale de ce groupe d'enzymes est l'hydrolyse des liaisons peptidiques. Leur spécificité secondaire permet de les classer en deux groupes : - Exopeptidase L'enzyme n'hydrolyse que la première liaison peptidique (aminopeptidase) ou la dernière liaison peptidique (carboxypeptidase) en libérant l'aminoacide terminal. Bien évidemment, le processus recommence sur le peptide amputé d'un aminoacide (un temps d'hydrolyse court permet de libérer un seul aminoacide). - Endopeptidase L'enzyme hydrolyse des liaisons peptidiques internes entre deux aminoacides i, (i+1). Il peut être spécifique du résidu en position i ou (i+1). L'hydrolyse d'un peptide par une endopeptidase donnera plusieurs fragments peptidiques : si on a m coupures (m liaisons peptidiques hydrolysées), le peptide sera dégradé en (m+1) fragments peptidiques.

5.3.2.- Séparation et dosage des acides aminés Il s’agit d’une analyse de routine à l’heure actuelle mais qui reste encore complexe. Les intérêts de telles analyses sont très nombreux (nutrition, technologie protéique, biochimie des protéines etc.). L’analyse de la vingtaine d’acides aminés naturellement présents dans les protéines nécessite d’abord leur séparation puis leur dosage. Les techniques séparatives les plus utilisées sont soit de type chromatographique soit de type électrophorétique. Les techniques chromatographiques utilisables sont nombreuses :    

Chromatographie sur couche mince Chromatographie en phase vapeur après formation de dérivés volatils Chromatographie en phase liquide à haute pression Chromatographie sur colonne d’échange d’ions

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Les techniques chromatographiques en colonne sont celles qui sont actuellement les plus utilisées; qualifiées de CLHP (chromatographie liquide haute performance).

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Chromatographie d’échange ionique

5.4.- Peptides d'intérêt biologique Le glutathion (γ-glutamyl-cystéinyl-glycine) est un tripeptide cellulaire qui par sa fonction thiol peut être oxydant ou réducteur de façon réversible. Il est plus actif que la cystéine du fait d’une plus grande solubilité et d’une plus grande mobilité de l’hydrogène de la fonction thiol. Il est oxydable par l’oxygène, par le ferricyanure, le 2,6-dichlorophénol indophénol. Il est réduit par le sulfure d’hydrogène, l’hydrogène naissant ou par voie enzymatique.

La vasopressine et l’ocytocyne ont des structures voisines mais les effets physiologiques sont très différents. La vasopressine augmente la pression artérielle et a un effet antidiurétique ; l’ocytocyne provoque des contractions utérines.

Les structures de l’ocytocyne et de la vasopressine (ADH) sont les suivantes :

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Le glucagon sécrété par les cellules A des îlots de Langerhans du pancréas est un peptide de 29 acides aminés qui agit sur les hépatocytes, les adipocytes et les cellules B des îlots de Langerhans qui sécrètent alors l’insuline. Le glucagon est hyperglycémiant. Sa séquence est la suivante: H-HIS-SER-GLU-THR-PHE-THR-SER-ASP-TYR-SER-LYS-TYR-LEU-ASP-SER-ARG-ALAGLU-ASP-GLU-ASP-PHE-VAL-GLU-TRP-LEU-MET-ASN-THR-OH L’insuline pancréatique est hypoglycémiante et comporte deux chaînes peptidiques A et B de 21 et 30 résidus réunies par 2 ponts disulfure. Sa masse molaire est de 6000. Elle est considérée comme la première protéine dont la structure a été déterminée.

6.- Les protéines L'étude des protéines et de leurs fonctions est la partie la plus importante de l'enseignement de biochimie dans le second cycle. Aussi, nous nous limiterons à quelques notions structurales qui vous seront développées ultérieurement.

Les caractéristiques spatiales des protéines sont la clé de leurs fonctions. La structure des protéines est définie à plusieurs niveaux :

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6.1.- Structure primaire La structure primaire d’une protéine correspondant à la séquence d’enchaînement de ses acides aminés, qualifiés alors de résidus d’acides aminés. La structure primaire ne permet pas (ou peu) d’accéder à la forme de la molécule dans l’espace, forme souvent nécessaire à l’activité de la molécule. La chaîne polypeptidique adopte une structure spatiale ou conformation qui est unique et constante pour une protéine donnée. Les structures secondaires, tertiaires et quaternaires permettent de définir la conformation. L'encombrement stérique des acides aminés et les angles des liaisons font que l'enchaînement n'est pas linéaire, mais présente un certain nombre de replis. En outre, les différentes portions des replis peuvent établir entre elles des liaisons qui vont contribuer à consolider la structure. 6.2.- Structure secondaire C’est l'arrangement, dans l'espace, de fragments courts de séquences en 4 grands types de forme. Les liaisons hydrogène potentielles que peuvent avoir les atomes d'oxygène (C=0) et d'hydrogène (N-H) d'une liaison peptidique et l'impact de la géométrie de la liaison peptidique sur la structure locale sont très importants. Cet impact sera double : - la rigidité de la liaison peptidique conduira à un squelette défini et stable - les libertés de rotation des atomes aux extrémités de cette liaison permettront à la structure locale d'adopter différentes conformations dans l'espace. Les propriétés de la liaison peptidique sont : 1) les atomes N, H, O, C α sont coplanaires 2) l'angle ω ne prend que deux valeurs : - 180° pour les Cα en trans - 0° pour les Cα en cis

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L'angle dièdre est compté positivement quand on déplace dans le sens des aiguilles d'une montre l'atome situé en avant pour qu'il se superpose à l'atome situé en arrière (dans la représentation de Newmann). Les angles φ et ψ sont caractéristiques de la géométrie locale des deux plans de liaisons peptidiques consécutifs - φ : rotation autour de la liaison Cα-N - ψ : rotation autour de la liaison Cα-C α-hélice C'est une structure locale répétitive et relativement compacte dont les caractéristiques principales sont : - la structure est stabilisée par les liaisons hydrogène de l'atome d'oxygène (C=0 d'une liaison peptidique i avec l'atome d'hydrogène (N-H) de la liaison peptidique (i+4) - les radicaux des résidus sont à l'extérieur de l'hélice, ce qui minimise les encombrements stériques - l'hélice ne peut s'établir qu'avec des résidus de la même série (L ou D) - la configuration L des aminoacides privilégie un enroulement à droite (dans un enroulement à gauche, les chaînes latérales recouvrent trop le squelette de l'hélice) - les plans des liaisons peptidiques sont parallèles à l'axe de l'hélice et forment le squelette de l'hélice. Caractéristiques de l'hélice : - pas : 0,54 nm par tour - nb de résidus par tour : 3,6 - translation par résidu : 0,15 nm - diamètre de l'hélice : 0,50 nm - angles dièdre : φ = - 57° et ψ = - 47° - la liaison hydrogène C=O--------N-H, d'une longueur de 0,286 nm, est presque parallèle à l'axe de l'hélice.

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Cette structure est favorisée par les résidus dont les chaînes latérales ne portent pas de charges et dont l'encombrement stérique est faible. Certains résidus déstabilisent l'hélice par la présence de charge dans leurs chaînes latérales (Asp, Glu, Arg et Lys). La proline est un point de rupture d'une hélice pour deux raisons : - il n'existe pas de NH pour une liaison hydrogène - le cycle rigide pyrrolidone engagé dans la liaison peptidique bloque la rotation, détruisant la continuité de l'hélice. Feuillet β Les liaisons hydrogène des atomes d'oxygène (C=0) et d'hydrogène (N-H) d'une liaison peptidique se répètent non plus sur une portion continue de la chaîne peptidique mais entre des segments différents qui peuvent appartenir à la même chaîne ou à des chaînes différentes. Cette structure est une structure à plat, étirée et étalée : feuillet β plissé. Le sens peptidique des deux brins adjacents peut être identique ou contraire, les feuillets sont respectivement dits parallèles ou anti-parallèles. Ces derniers sont plus stables, les liaisons H subissant de plus faibles distorsions. Les chaînes latérales des résidus se distribuent alternativement de part et d'autre du plan moyen. Les feuillets β parallèles et anti-parallèles ont des caractéristiques très similaires : - β parallèle (translation : 0,32 nm, angles dièdre : φ = - 119° et ψ = 113°) - β anti-parallèle (translation : 0,34 nm, angles dièdre : φ = - 139° et ψ = 135°)

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Une liaison peptidique sur deux ne participe pas à une liaison hydrogène : cela implique que nous pourrons avoir une structure en feuillet β plissé, composée de plus de deux brins.

Le coude Certaines régions protéiques ne sont pas structurées dans des conformations périodiques. Toutefois leurs structures sont semblables par le fait qu'elles imposent un changement brusque de direction de 180°: on les appelle coude ou tour β (β turn). La lettre β rappelle qu'ils sont indispensables pour des feuillets de chaînes anti-parallèles. Cette structure peut être réalisée de différentes manières, toutefois on peut dire : - c'est un court segment peptidique de 2 à 4 résidus - une ou deux liaisons hydrogène se forment entre le premier et le dernier résidu du coude. - la configuration de la proline est telle qu'elle provoque un changement de direction et peut donc être presque à elle seule un coude.

Dans le coude à 4 résidus, les résidus R2 et R3 avec des chaînes latérales portant des charges favoriseront une telle structure (chaînes latérales à l'extérieur et interagissant avec l'eau). Les résidus R1 et R4 avec des chaînes latérales de faible encombrement stérique favoriseront cette structure. La pelote statistique Certaines régions protéiques ne sont pas structurées dans des conformations périodiques comme l'α-hélice ou le feuillet plissé β : leur forme irrégulière est qualifiée de pelote statistique (random coil). Cette structure n'est pas pour autant inorganisée, elle obéit aux contraintes locales de voisinage.

6.3.- Structure tertiaire L'arrangement spatial des structures secondaires locales aboutit à une forme globale spécifique de la protéine maintenue par des interactions qui peuvent être de nature différente : - liaison covalente : pont disulfure 30

- liaisons ioniques entre groupements chargés de signe opposé (pont salin) - interactions électrostatiques entre dipôles permanents et groupements ionisés ou encore entre deux dipôles : les plus répandues sont les liaisons hydrogène - attractions hydrophobes (force de Van der Waals entre groupes apolaires subissant des forces de répulsion par l'eau, ce qui favorise leur rapprochement) - interactions des chaînes latérales des résidus avec le solvant : dans l'eau, les chaînes latérales polaires pourront être exposées au solvant, alors que les chaînes latérales apolaires auront tendance à "s'enfouir" dans des poches hydrophobes de la protéine.

La structure tertiaire d'une protéine est le paramètre fondamental dont dépend l'expression de ses fonctions biologiques qu'elles soient structurales ou dynamiques (protéines des membranes ou du cytosquelette ou etc, récepteurs, enzymes, etc). Cette structure est très dépendante des interactions que nous venons de décrire. Ces interactions subissent l'influence du milieu dans lequel elles se trouvent (solvant, température, pH, force ionique, agents détruisant ces interactions, etc). La conformation native de la protéine est la structure tertiaire qui correspond à celle qui exprime sa fonction biologique dans les conditions physiologiques. Un traitement détruisant cette structure qui a pour conséquence de supprimer sa fonction est appelé dénaturation :elle aboutit à un état plus désorganisé de la molécule. 6.4.- Structure quaternaire C'est l'organisation des protomères qui définit la structure quaternaire d'une protéine formée de multimères. La structure quaternaire résulte d’associations de molécules protéiques identiques ou différentes (monomères) par des liaisons hydrogène, hydrophobes, ioniques ou par pont disulfure conduisant à un édifice oligomérique complexe (submicelles de caséine par exemple). 31

L’association ou la dissociation des protomères permettent à ces protéines d'avoir des fonctions de signalisation ou de contrôle (l'enzyme protéine-kinase dépendante de l'AMP cyclique) - l'interaction entre les protomères (sous-unités) est un moyen très précis de régulation: Phénomène coopératif de fixation de ligands, enzymes allostériques, récepteurs membranaires Les isoformes des protéines : elles ont les mêmes fonctions, toutefois leur structure est dépendante du tissu soit au niveau du nombre de protomères dans l'association soit une différence au niveau du protomère.

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7.- Transamination et désamination oxydative

Le foie est le site principal de dégradation des acides aminés chez les mammifères. Le groupe α‐aminé de nombreux AA est transféré à l’α‐cétoglutarate pour former le glutamate, qui est ensuite désaminé oxydativement pour produire NH4+ (ion ammonium).

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