Chapitre 5 - Théorie

Question 1

Par quoi la fonction d’une protéine est-elle déterminée ?

Answer 1

Principalement par leurs structures tridimensionnelles (3D).

Question 2

Qu’est-ce que la structure primaire d’une protéine?

Answer 2

Elle correspond à la séquence en acides aminés de la chaîne polypeptidique spécifiée par l’information génétique (ADN/génome). Ce niveau de structure fait intervenir uniquement des liens covalents.

Question 3

Qu’est-ce que la structure secondaire de la protéine ? Comment est-elle stabilisée ?

Answer 3

Elle correspond à l’arrangement spatial des acides aminés adjacents dans une région donnée de la chaîne polypeptidique. Il y a habituellement plusieurs structures secondaires dans une chaîne polypeptidique. Les structures secondaires sont stabilisées par des liens H entre les atomes du groupement peptidique.

Question 4

Qu’est-ce que la structure tertiaire d’une protéine? Comment est-elle stabilisée ?

Answer 4

Elle décrit l’arrangement 3D de tous les atomes formant une chaîne polypeptidique. Cette structure est stabilisée par des interactions non covalentes et des ponts disulfures entre les chaînes latérales de résidus éloignés dans la structure primaire.

Question 5

Qu’est-ce que la structure quaternaire des protéines ? Lesquelles en possèdent une ?

Answer 5

Elle décrit l’association et l’arrangement spatial des sous-unités dans l’espace. Tout comme pour la structure tertiaire, ce sont principalement les interactions non covalentes et les ponts disulfures entre les chaînes latérales qui stabilisent la structure quaternaire.

Les protéines constituées d’au moins 2 chaînes polypeptidiques (protéines multimériques) en possèdent une. Dans le cas d’une protéine monomérique, la structure quaternaire correspond à la structure tertiaire puisque la protéine n’est constituée que d’une seule chaîne.

Question 6

Comment déterminer la structure 3D d’une protéine?

Answer 6

La structure 3D d’une protéine est déterminée soit à l’aide de la cristallographie à rayons X, soit à l’aide de la spectroscopie par RMN.

Question 7

Qu’est-ce que la cristallographie à rayons X? Quels sont ses avantages et ses désavantages ?

Answer 7

La cristallographie à rayons X a une résolution élevée. Elle est cependant limitée par la difficulté à obtenir un cristal de qualité pour certaines protéines. Les cristaux de protéines diffractent les rayons X différemment selon la forme de la protéine cristallisée. Le patron de diffraction obtenu est ensuite analysé afin de déterminer la structure 3D.

Question 8

Qu’est-ce que la spectroscopie par RMN? Quels sont ses avantages et ses désavantages ?

Answer 8

Elle permet l’étude de la structure d’une protéine en solution. Il n’est donc pas nécessaire de produire un cristal. On peut également étudier les changements de conformation d’une protéine par cette méthode. La RMN est très puissante pour étudier les petites protéines, mais l’analyse est plus difficile avec les protéines de grande taille. Toutefois, beaucoup d’améliorations ont été apportées ces dernières années et la RMN permet maintenant la résolution de la structure de protéines de plus en plus grosses.

Question 9

De quoi dépend l’arrangement spatial des acides aminés adjacents dans une section de la chaîne polypeptidique?

Answer 9

L’arrangement spatial des acides aminés adjacents dans une section de la chaîne polypeptidique dépend de la géométrie des liens peptidiques et de la nature des chaînes latérales.

Question 10

En présence d’une liaison peptidique, il y a formation d’un hybride de résonnance, qu’est-ce que ça fait ?

Answer 10

La résonnance restreint la rotation autour du lien peptidique et lui confère les caractéristiques partielles des liaisons doubles :
• Le lien C - N est plus court qu’un lien C-N standard, mais plus long qu’un lien C=N
• Le lien C=O est plus long qu’un lien C=O standard, mais plus court qu’un lien C-O

Question 11

Pourquoi un groupement peptidique est-il sur un plan rigide?

Answer 11

Un groupement peptidique est un plan rigide, conséquence de la résonnance. Les groupements carbonyle et amine ainsi que les 2 carbones α sont sur le même plan, car il n’y a pas de rotation possible autour de la liaison Co - N. Une protéine est ainsi constituée d’une suite de plans rigides liés les uns aux autres.

Question 12

Décrivez la conformation cys-trans du groupement peptidique. Quelle est la plus avantageuse ?

Answer 12

Dans la conformation trans, les 2 C α sont aux extrémités opposées du plan, tandis que dans la conformation cis, les 2 C α sont plus rapprochés l’un de l’autre et occupent les angles adjacents du plan.

La conformation cis est moins favorable que trans, car les chaînes latérales des 2 résidus liés sont alors plus rapprochées, ce qui augmente l’encombrement stérique entre les chaînes latérales.

Question 13

Quelles sont les configuration avec présence ou absence de la proline ?

Answer 13

En absence de proline, plus de 99,9 % des liens peptidiques sont dans une configuration trans. Cependant, 6 % des liens peptidiques impliquant le groupement imino de la proline sont dans la configuration cis.

Question 14

Qu’est-ce qu’une enzyme isomérase et à quoi sert-elle?

Answer 14

Une fois le lien peptidique formé, une conformation trans ne peut pas être convertie en une conformation cis puisqu’il ne peut avoir de rotation autour du lien peptidique. Pour changer de conformation, l’action d’une enzyme appelée isomérase est nécessaire. Cette dernière provoque une déstabilisation transitoire de l’hybride de résonnance, permettant ainsi la rotation temporaire autour du lien peptidique. Ici, on parle toujours de conformation, car aucun lien n’a besoin d’être brisé pour changer de forme.

Question 15

Autour de quels liens d’un groupement peptidique la rotation est-elle possible? Que peut-il arriver pendant cette rotation?

Answer 15

La rotation est possible autour des liens C α - Co et N - C α, ce qui permet aux plans rigides de s’orienter les uns par rapport aux autres dans l’espace. Toutefois, lors de la rotation, les chaînes latérales associées aux groupements peptidiques peuvent entrer en collision. Par conséquent, seules quelques valeurs (en degrés) d’angles φ et ψ respectent les contraintes d’encombrement stérique entre les différentes chaînes latérales.

Question 16

Qu’est-ce que la structure hélice α dans les protéines ? Donnez ses caractéristiques.

Answer 16

L’hélice α est la structure secondaire la plus connue et la plus abondante dans les protéines.

Premièrement, Le C = O d’un résidu n forme une liaison hydrogène avec le N - H d’un résidu n + 4. Ce qui fait en sorte que les liens H sont approximativement parallèles au grand axe de l’hélice et stabilisent la structure. De plus, il y a 4 N-H à l’une des extrémités de l’hélice et 4 C=O à l’autre extrémité qu’il ne participent pas à la formation de l’hélice puisqu’ils n’ont pas de partenaires avec lesquels former des liens H.

• Le pas de l’hélice (pitch) est de 0,54 nm.
• La distance parcourue par l’hélice à chaque résidu (rise) est de 0,15 nm.
• Un tour d’hélice (ou tour de spire) correspond à 3,6 résidus.
• Les chaînes latérales sont perpendiculaires à l’axe de l’hélice et se dirigent vers
l’extérieur de celle-ci.

Question 17

Vrai ou faux ? Les hélices α dans les protéines sont presque toujours des hélices gauches (hélice de pas à gauche).

Answer 17

Faux. Les hélices α dans les protéines sont presque toujours des hélices droites (hélice de pas à droite).

Question 18

Combien de résidus contiennent les hélices α?

Answer 18

Elles contiennent entre 4 et plus de 40 résidus, la moyenne étant de 12 résidus.

Question 19

Quel acide aminé est très fréquent dans les hélices α?

Answer 19

L’alanine

Question 20

Pourquoi la glycine est toujours au début ou à la fin d’une hélice α?

Answer 20

Trop de possibilités de rotation déstabilisent l’hélice; par conséquent, la glycine est souvent présente au début ou à la fin de celle-ci.

Question 21

Quel est l’acide aminé le moins fréquent dans les hélices α? Et pourquoi ?

Answer 21

La proline, car son groupement α- amine (amine secondaire) n’a pas de N-H disponible pour les liaisons hydrogène. Par conséquent, la présence d’une proline entraîne souvent l’interruption de la structure en hélice α.

Question 22

Par quoi les hélices α peuvent-elles être déstabilisées ?

Answer 22

Le fait d’avoir trop de possibilité se de rotation. Les hélices peuvent également être déstabilisées par les répulsions électromagnétiques entre les chaînes latérales de même charge de même que par l’encombrement stérique entre les chaînes latérales de taille importante ou ramifiée.

Question 23

Les hélices sont-elles des molécules amphipatiques? Si oui, comment cela affecte-il leur structure?

Answer 23

Les hélices sont souvent amphipathiques, c’est-à-dire qu’on retrouve les résidus hydrophobes d’un côté de l’hélice et les résidus hydrophiles de l’autre côté. Pour visualiser ce phénomène, il faut utiliser une représentation sous forme de roue hélicoïdale.

Question 24

Combien un brin β contient-il en moyenne de résidus ?

Answer 24

Un brin β contient en moyenne 6 résidus, mais il peut en contenir plus de 15.

Question 25

Qu’est-ce qu’un feuillet β et de quoi est-il constitué ?

Answer 25

Le feuillet β (aussi appelés feuillets plissés β) est une autre structure secondaire rencontrée fréquemment dans les protéines. L’élément constitutif d’un feuillet est une portion de la chaîne polypeptidique dans une conformation étendue en zigzag appelée brin β. Les feuillets β font partie de la structure secondaire lorsque les brins associés proviennent de régions adjacentes d’une même chaîne. Cependant, les 2 brins d’un feuillet β peuvent provenir de régions éloignées d’une même chaîne (structure tertiaire) ou encore de 2 chaînes
différentes (structure quaternaire).

Question 26

Quels sont les 2 principaux types de feuillets β?

Answer 26

Ce sont feuillets β parallèles où les brins sont orientés dans le même sens, et les feuillets β antiparallèles où les brins sont orientés en sens inverse l’un de l’autre.

Question 27

Quelle est la conformation d’une brin β? Est-elle stable ?

Answer 27

Sa conformation n’est pas stable à cause de l’absence d’interactions non covalentes entre les résidus. Les brins β s’associent entre eux en formant des liens H entre les groupements α-carbonyle d’un brin et les groupements α-amines d’un autre, ce qui augmente leur stabilité. On parle alors de feuillet β.

Question 28

Combien de brins β contiennent les feuillets β?

Answer 28

Un feuillet contient entre 2 et 22 brins β, mais en moyenne, ils en contiennent 6.

Question 29

Comment se forment les liens H dans un feuillet β?

Answer 29

Contrairement à l’hélice α, les liens H se forment entre les brins voisins et non entre des résidus voisins.

Question 30

De quelle façon sont composés les feuillets β? Quelles sont les différences en antiparallèle et parallèle?

Answer 30

Dans les feuillets β, les chaînes latérales des acides aminés se placent alternativement au-dessus et en dessous du feuillet. Les groupements C=O et N-H sont perpendiculaires à l’axe des brins. Dans le cas des feuillets antiparallèles, les liens H sont également perpendiculaires aux brins β alors que, dans les feuillets parallèles, ils ne le sont pas. Les feuillets antiparallèles sont plus stables que les feuillets parallèles parce que les liens H sont plus linéaires. Nous vous rappelons que plus un lien H est linéaire, plus il est fort

Question 31

Dans les protéines globulaires, environ 50 % des résidus d’acides aminés sont organisés sous forme d’hélices α ou de feuillets β réunis entre eux par des segments irréguliers qui changent brusquement de direction. Ces changements de direction sont rendus possibles grâce à la présence de structures appelées comment?

Answer 31

Ce sont les boucles.

Question 32

Que sont les coudes/tours? Lesquels sont les plus courants ?

Answer 32

Les boucles qui contiennent peu de résidus (5 ou moins) sont appelées coudes ou tours. Le coude β (ou tour β) est le type de boucle le plus courant.

Question 33

Que sont les coudes β?

Answer 33

On l’appelle coude β, car il fait souvent le lien entre 2 brins d’un feuillet β antiparallèle. Les coudes β contiennent 4 résidus et sont stabilisés par un lien H entre le carbonyle du 1er (n) et l’amine du 4e (n+3).

Question 34

Quels acides aminés sont avantageux dans un coude β et pourquoi?

Answer 34

La glycine est souvent présente, car sa petite chaîne latérale permet un virage encore plus abrupt sans le problème de l’encombrement stérique. La présence d’une proline favorise également un changement de direction de la chaîne polypeptidique en introduisant un lien peptidique dans la conformation cis.

Question 35

La localisation des résidus dans la structure tertiaire dépend de quoi?

Answer 35

La localisation des résidus dans la structure tertiaire dépend fortement de leur polarité : les résidus non polaires se retrouvent à l’intérieur de la protéine, les résidus chargés sont surtout situés en surface de la protéine, tandis que les groupements polaires et non chargés sont situés principalement à la surface de la protéine, quelquefois à l’intérieur.

Question 36

Pourquoi la fabrication de protéines sous la forme multimérique est-elle avantageuse pour la cellule?

Answer 36

• La synthèse de plusieurs chaînes plus courtes est plus efficace que la synthèse d’une seule chaîne plus longue.
• Les protéines multimériques sont habituellement plus stables que les sous-unités dissociées, ce qui indique que la structure quaternaire prolonge la vie de la protéine.
• Différentes protéines possédant des fonctions similaires peuvent partager les mêmes sous-unités. La possibilité de modifier l’agencement des sous-unités favorise
l’évolution.
• Les interactions entre les sous-unités facilitent la régulation de l’activité des protéines
• L’association de différentes sous-unités catalysant des réactions successives rend
possible la canalisation métabolique

Question 37

Les protéines multimérique sont-elles plus présentes dans la cellule ?

Answer 37

Puisque les protéines multimériques ont plusieurs avantages, elles sont très présentes dans la cellule. Chez E. coli, seulement 19 % des protéines sont des monomères. Les dimères sont la forme la plus fréquente (38 %). En fait, les homodimères représentent à eux seuls 31 % de toutes les protéines. Les tétramères sont également fréquents (21 %). La présence d’un nombre pair de chaque sous-unité permet d’obtenir une dyade symétrique.

Question 38

Qu’est-ce que la dénaturation d’une protéine ?

Answer 38

Ce phénomène réfère à la perte de la conformation native suite aux bris des interactions non covalentes. Étant donné la relation directe entre la structure 3D et la fonction d’une protéine, son activité biologique sera aussi affectée.

Question 39

Quels sont des exemples d’agents dénaturants et qu’est-ce qu’ils ont comme effets?

Answer 39

• La chaleur augmente l’énergie dans le milieu. La vibration des molécules augmente par le fait même, ce qui provoque le bris des interactions faibles qui maintiennent la conformation native de la protéine.
• Un changement de pH peut entraîner un changement de la charge des chaînes latérales et ainsi briser des interactions essentielles au maintien de la structure 3D.
• Les agents chaotropiques perturbent les liaisons faibles en augmentant la solubilité des groupements non polaires. Les 2 principaux agents chaotropiques utilisés en laboratoire sont l’urée et les sels de guanidine.
• Les détergents peuvent servir à dénaturer les protéines, car ils altèrent des interactions hydrophobes en formant des micelles qui augmentent la solubilité des résidus hydrophobes.

Question 40

La structure primaire d’une protéine est-elle affectée par la dénaturation ?

Answer 40

Puisque la dénaturation ne touche pas aux liens covalents, la structure primaire n’est pas affectée.

Question 41

Qu’est-ce qui rend les protéines moins susceptibles à la dénaturation?

Answer 41

La présence de ponts disulfures.

Question 42

Le processus de dénaturation est-il irréversible ?

Answer 42

La dénaturation d’une protéine peut être irréversible; par exemple la cuisson d’un œuf dénature irréversiblement l’ovalbumine. Toutefois, certaines protéines peuvent retrouver leur conformation native après avoir été dénaturées. On parle alors de renaturation. Ce phénomène démontre que toute l’information nécessaire au repliement correct de la protéine est inscrite dans sa séquence (ou structure primaire).

Question 43

Quels sont les facteurs qui rendent une protéine susceptible à être dégradée ?

Answer 43

Une protéine dans sa conformation native est moins susceptible d’être dégradée qu’une protéine dénaturée ou incorrectement repliée.

Question 44

Où se trouve l’information nécessaire au repliement des protéines?

Answer 44

La plupart des protéines se replient spontanément en moins de 1 seconde! Toute l’information nécessaire au repliement est contenue dans la structure primaire du polypeptide.

Question 45

Le repliement d’une protéine est-il un processus thermodynamiquement favorable ?

Answer 45

Les protéines se replient de manière à former la structure la plus stable possible, c’est-à-dire celle contenant le minimum d’énergie libre. Ainsi, le repliement est un processus thermodynamiquement favorable, car il y a diminution de l’énergie libre (ΔG négatif).

Question 46

De quelle façon représente-t-on les changements d’énergie libre lors du repliement?

Answer 46

On représente les changements d’énergie libre lors du repliement par un entonnoir. Cette forme illustre bien le fait que les protéines peuvent emprunter différentes routes et passer par différentes formes intermédiaires afin d’adopter la conformation la plus favorable (conformation native).

Question 47

Dans quel ordre a lieu la formation d’une molécule protéique ?

Answer 47

Durant synthèse et avant fin de la polymérisation : structures secondaires commencent à se former partout où c’est possible = formation d’un grand nombre de liaisons H.

En même temps, effondrement hydrophobe = formation de poches hydrophobes.
= formation d’interactions entre différentes structures secondaires= globule fondu (Molten globule).

Question 48

Comment expliquer que le repliement d’une protéine est un phénomène de coopérativité.

Answer 48

Car la formation d’une partie de la structure aide à la formation de la structure restante.

Question 49

Quel est le facteur le plus important pour le repliement des protéines ? Et pourquoi ?

Answer 49

Les interactions hydrophobes sont le facteur le plus important pour le repliement des protéines. En effet, l’exclusion des résidus hydrophobes sert de force motrice au repliement. Il y a alors regroupement de la plupart des résidus hydrophobes au centre de la protéine afin de réduire la surface accessible au solvant.

Question 50

Qu’est-ce qui contribue à la stabilité de la protéine ?

Answer 50

Les liens H entre les atomes du squelette peptidique (structure secondaire) ou entre les atomes des chaînes latérales (structure tertiaire) contribuent également au repliement et à la stabilité des protéines. Des liaisons H se forment entre la surface de la protéine et le solvant (l’eau). On parle alors d’hydratation.

Les liaisons ioniques (ou ponts salins) qui stabilisent la structure de la protéine se forment entre les quelques chaînes latérales chargées retrouvées à l’intérieur de cette dernière. Bien que la grande majorité des groupements chargés soit à la surface des protéines, ils sont solvatés et ne contribuent que faiblement à la structure 3D.

Les forces de Van der Waals sont ubiquitaires et contribuent à la stabilité globale de la protéine.