Les acides aminés et les protéines

1 - Les acides aminés

Tout acide aminé (aa) est composé d'un carbone lié par covalence à un hydrogène et à 3 groupes dont un seul est variable : le groupe R.
Le groupe amine (-NH2) est placé conventionnellement à gauche des représentations et le groupe acide carboxylique (-COOH) à droite. Comme le carbone central de la molécule comporte 4 groupes presque toujours différents (sauf pour la glycine où R=H), c'est un carbone asymétrique (noté C*) d'où les propriétés optiques des aa vues en chimie.
acide aminé



nom complet
nom abrégé
code lettre
 Formule du groupement R -
alanine
Ala
A
 -CH3
arginine
Arg
R
 -CH2-CH2-CH2-NH-C=N+H2(NH2)
asparagine
Asn
N
 -CH2-C=O(NH2)
acide aspartique
Asp
D
 -CH2-COO-
cystéine
Cys
C
 -CH2-SH  (deux Cys peuvent s'associer en ponts disulfure S-S)
glutamine
Gln
Q
 -CH2-CH2-C=O(NH2)
acide glutamique
Glu
E
 -CH2-CH2-COO- on dit aussi "glutamate"
glycine
Gly
G
 -H
histidine
His
H
 -CH2-C(NH-CH=N-)=CH avec cycle
isoleucine
Ile
I
 -CH(CH3)-CH2-CH3
leucine
Leu
L
 -CH2-CH-CH3(CH3)
lysine
Lys
K
 -CH2-CH2-CH2-CH2-N+H3
méthionine
Met
M
 -CH2-CH2-S-CH3
phénylalanine
Phe
F
 -CH2-C6H5 avec cycle benzènique
proline
Pro
P
  côté1 lié au C*-N+H2-CH2-CH2-CH2- côté 2 lié au C*
sérine
Ser
S
 -CH2OH
thréonine
Thr
T
 -CHOH-CH3
tryptophane
Trp
W
 -CH2-C=CH(NH)-C6H4 avec deux cycles
tyrosine
Tyr
Y
 -CH2-C6H4(OH) avec cycle benzènique
valine
Val
V
 -CH-CH3(CH3)

2 - De la liaison peptidique (structure primaire) à la structure secondaire

La liaison peptidique s'établit entre le groupe carboxylique d'un premier aa (extrémité dite C-terminale) et le groupe amine d'un second aa (extrémité dite N-terminale). Une molécule d'eau est libérée. Cette réaction nécessite de l'énergie sous forme d'un GTP qui donne un GDP (voir page acides nucléiques) et se passe habituellement au sein des ribosomes lors de la synthèse des protéines.

liaison peptidique
La structure primaire désigne l'enchaînement (ou la SÉQUENCE) des aa. Un peptide est une chaîne d'aa reliés par des liaisons peptidiques. Pour les peptides avec peu d'aa on précise le nombre d'aa dans le nom (di (2), tri (3), tétra(4), penta (5), hexa (6), hepta (7), octa (8), nona (9), décapeptide (10)). Au-delà de 10 aa on parle de polypeptide. Une protéine est un polypeptide dont le poinds moléculaire est supérieur à 10.000 daltons (un dalton (Da) est la masse d'un atome d'hydrogène).
La structure secondaire est la forme de la séquence primaire qui dépend des groupes R des aa qui prennent plus ou mpoins de place et peuvent même se lier entre eux. Il existe deux structures secondaires principales : l'hélice alpha : où les aa forment une hélice, et le feuillet plissé bêta où les groupes R se placent au-dessus et au-dessous d'une fibre plus ou moins plane reliant les carbones asymétriques. Il existe aussi des structures globulaires. Les séquences peuvent aussi faire des coudes.
- une hélice alpha de 16 aa s'affiche mais vous pouvez aussi visualiser
- une chaîne de 16 autres aa formant un feuillet plissé bêta

Quelques commandes pour JSmol:
Modèles de la molécule
compact
squelette
boules et bâtons
cartoons
Couleurs des atomes :
cpk (tableau ci-dessus)
  a.a. colorés
aa color
(couleurs de références page JSmol)

3 - Les structures tertiaires et quaternaires

La structure tertiaire désigne les liens entre les aa au sein d'une même chaîne qui permettent de maintenir une forme spécifique, qui est considérée comme essentielle à la fonction de la protéine. Les liens peuvent être de plusieurs types, du plus faible au plus fort :
- les liaisons hydrophobes entre domaines qui repoussent l'eau mai aussi toutes les interactions faibles mettant en jeu l'hydratation (le degré d'hydratation de la protéine détermine son activité: il est rare que l'on ai une activité à moins de 50% d'eau en masse.
- les liaisons de Van des Waals
- des interactions électrostatiques comme les liaisons ioniques ou des liaisons hydrogène
- des liaisons covalentes comme les ponts disulfure entre les aa de type cystéine.
On parle de structure quaternaire lorsque plusieurs chaînes sont associées pour former une seule protéine fonctionnelle : c'est-à-dire ayant une fonction unique (comme les 4 chaînes identiques 2 à 2 de l'hémoglogine - voir page biochimie).
Lorsque les chaînes spnt associées pour réaliser plusieurs fonctions chimiques différentes on parle de complexe enzymatique. Dans la majorité des cas des éléments non protéiques s'ajoutent au complexe. Le cas d'un ribosome, complexe ribo-protéique est un exemple de cette complexité.
Visitez le site http://www.periodicproteincomplexes.org qui présente sous forme d'un tableau les différentes associations de chaînes protéiques dans l'espace.


Trois molécules sont proposées ici :
insuline bovine,protéine seule : c'est le fichier déjà chargé; voir le schéma ci-dessous
insuline bovine, fichier complet (1APH) : ce fichier présente une molécule cristallisée d'insuline (2 chaînes A (21 aa) et B (30 aa)) avec 56 molécules d'eau et une molécule de 1,2-dichloroéthane.
insuline humaine complète (fichier 1BEN) : elle comporte 4 chaînes (A,B,C,D) avec un atome de Cl, 2 atomes de Zn, et est complexée avec une molécule de 4-hydroxybenzamide. Le fichier comporte 168 molécules d'eau.

Quelques commandes pour JSmol:
Modèles de la molécule
compact
squelette
boules et bâtons
cartoons chaînes colorées
Couleurs des atomes :
cpk (tableau ci-dessus)
  a.a. colorés (couleurs de références ci-dessus et  page JSmol)


L'intérêt de présenter cette molécule est que l'on peut voir très facilement qu'elle est composée de deux chaînes (A et B). insuline bovine
La chaîne A est identique chez l'homme, le chien, le porc, le lapin et le cachalot; les chaînes B des vache, porc, chien, chèvre et cheval sont identiques). Pour une revue complète de toutes les molécules d'insuline, voir http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/data/scop.b.h.b.b.b.c.html qui présente plus de 60 fichiers, rien que pour l'insuline humaine.



Ci-contre une molécule de GFP ((1ema (PDB), 1ema (PDBe), Green Fluorescent Protein= protéine verte fluorescente) d'Aequorea victoria, méduse bioluminescente.  Une chaîne de 236 aa avec 11 feuillets plissés-ß  (2 aa modifiés). Le chromophore - partie émettant de la lumière (fluorescence) sous excitation de lumière ultraviolette (395 nm) ou bleue (475 nm) résulte de la cyclisation et de l'oxydation spontanée des résidus Ser65 (ou Thr65)-Tyr66-Gly67 situés au centre de la structure en cylindre. Selon la conformation de la protéine dans l'espace la fluorescence peut être annulée ou modifiée. On connaît ainsi un très grand nombre de "mutants" (en fait de séquences différentes) de cette protéine qui présentent des fluorescences variées (voir par exemple le site de la société Olympus - en anglais, qui présente aussi d'autres protéines fluorescentes).


Quelques commandes pour JSmol:
Modèles de la molécule
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squelette
boules et bâtons
cartoons chaînes colorées
Couleurs des atomes :
cpk (tableau ci-dessus)
  a.a. colorés (couleurs de références ci-dessus et  page JSmol)

PDB - Protein Data Base
Poster présentant les 4 niveaux de structures des protéines :

original (What is a protein ? - en anglais, une double page, 3,5Mo)
             

 Tableau périodique des complexes protéiques

Sebastian E. Ahnert, Joseph A. Marsh, Helena Hernandez, Carol V. Robinson, Sarah A. Teichmann
Principles of assembly reveal a periodic table of protein complexes
Science 350, 1331 and aaa2245 (2015). DOI: 10.1126/science.aaa2245
Qu'est-ce qu'une protéine-1 ? +  Qu'est-ce qu'une protéine-2 ?
2 pages dont la formulation a été corrigée (moins de 1 Mo chaque)
Qu'est-ce qu'une protéine ? Structure et fonctions
Qu'est-ce qu'une protéine-1 ?  + Qu'est-ce qu'une protéine-2 ?
2 pages traduites : ces 2 pages de vulgarisation sont conformes aux habituelles présentations simplistes et dépassées de la relation entre la forme et la fonction (350Ka chaque)

http://www.periodicproteincomplexes.org