Cours 3 - structure secondaire, tertiaire et quaternaire protéine

Question 1

Les forces faibles sont
déterminantes pour la structure 3D :

Answer 1

• Van der Waals (dipôle induit): 0.4 - 4 kJ/mol
• Pont H: 12-30 kJ/mol
• Liaison ionique: 0-20 kJ/mol
• Effet hydrophobique: <40 kJ/mol

(pour avoir pont H doit être proche

Van der Waals : interactions des nuages électroniques entre n’importe quels atomes, force déterminée par la proximité

les acides aminés diffèrent au niveau de leur chaîne R

effet hydrophobique EX: quand met huile dans eau, quand s’assemble pour augmenter l’entropie)

Question 2

Qu’est qu’un dipôle induit ?

Answer 2

Van der Waals (dipôles induits):

Force dépend de la taille et de la
distance, peut se sentir entre tous les atomes qui sont en contact. Force qui faiblit rapidement quand la distance dépasse 0.2 nm.

Question 3

Qu’est-ce qu’une liaison pont H ?

Answer 3

Ponts hydrogène: (avec O ou N)
Force proportionnelle à la polarité de l’atome donneur et de l’accepteur. Implique le partage d’un hydrogène lié à un atome électronégatif.

Question 4

Les liaisons ioniques sont très…

Answer 4

variables

Question 5

Que provoque l’effet hydrophobe pour l’eau ?

Answer 5

perte d’entropie pour l’eau

Question 6

Quel est le rôle de la séquence d’une protéine ?

Answer 6

Toute l’information requise pour qu’une protéine adopte sa conformation native (active et intacte) est contenue dans sa séquence d’AA

(la structure de la protéine va être déterminée par les acides aminées assemblées pour des forces

active et intacte : voici comment doit être présentée

les interactions vont dépendre de la séquence
ex: doit être non-polaire/hydrophobe pour fuir l’eau (effet hydrophobe))

Question 7

Comment les protéines peuvent
reconnaitre et traiter l’information
qu’elles portent?

Answer 7

• L’effet hydrophobe force l’enfouissement des AA hydrophobes
• Il y a des points de nucléation de repliement
• L’enfouissement, les interactions doiventmener vers un minimum d’énergie potentielle
• Certaines protéines aident au repliement (chaperonines)

(quand structure permet moins d’énergie = la protéine va moins bouger et c’est ce que l’on veut

conformation active, c’est la conformation qui va déterminer l’énergie de la cellule)

Question 8

Comment sont les structures secondaires ?

Answer 8

Les atomes de la liaison peptidique sont figés dans un plan
* Une rotation sur l’axe C-N demande une énergie de 88 kJ/mol multiplié par le carré de l’angle de la rotation.
* Les rotations au carbone alpha sont accessibles librement, sauf lors d’encombrement stérique

Question 9

Quelle est la Conséquence de la rigidité du plan peptidique ?

Answer 9

• La direction de la chaine en 3D est uniquement déterminée par les angles au carbone alpha

– Angle de rotation dans l’axe Cα – N est appelé phi
– Angle de rotation dans l’axe Cα – C est appelé psi

• Certaines valeurs de phi et psi sont beaucoup plus probables que d’autres qui sont “interdites”

(À cause de l’encombrement stérique, les 2 plans ne pourrons pas se mouvoir jusqu’à se coller/plié l’un sur l’autre)

Question 10

Encombrement stérique limite les..

Answer 10

angles disponibles

L’encombrement des atomes répartis autour du plan peptidique et dans les chaines latérales élimine certaines combinaisons:
* phi = 0, psi = 180
* phi = 180, psi = 0
* phi = 0, psi = 0 … sont tous interdits.

(si on prend le 3e, si les angles sont conservés entre les acides aminées, cela va donner lieu à une périodicité, tous la même position dans l’espace car même valeur d’angle)

Question 11

Qui est le premier à mettre en évidence la relation entre les combinaisons favorables de phi et psi ?

Answer 11

G. N. Ramachandran fut le premier à mettre en évidence la relation entre les combinaisons favorables de phi et psi et les structures secondaires périodiques correspondantes.
La répétition des angles d’une liaison peptidique à l’autre mène à la périodicité.

(cette périodicité, c’est ce qu’on appelle la forme secondaire

peut former une hélice ou un feuillet (plusieurs types de périodicité)

certaines combinaisons d’angle ne sont pas possibles
mais ceux possible vont donner des formes )

Question 12

Quelles sont les classes de structures secondaires ?

Answer 12

Structures 3D locales stabilisées par la formation de ponts H et autres facteurs.
* Hélice alpha
* Autres hélices
* Feuillet bêta (fait de brins bêta)
* Coude bêta ou gamma (tête d’épingle)

(es angles ont quand même un certain degré de liberté (angle va varier), mais doit être acceptable

les ponts H vont venir se lier pour stabilisé cette périodicité

es angles ont quand même un certain degré de liberté (angle va varier), mais doit être acceptable

les ponts H vont venir se lier pour stabilisé cette périodicité)

Question 13

Qu’est-ce que l’hélice alpha ?

Answer 13

• La structure secondaire la plus répandue
• Respecte les contraintes des angles
• Éloigne la masse des chaines latérales
• Permet une compacité dans l’espace
• Permet de mettre en ponts H les amines et les carbonyles des liaisons peptidiques
• Résidus par tour: 3.6
• Déplacement translationnel par résidu: 1.5 Angstroms
• Dépl. trans. par tour (pitch): 3.6 x 1.5A = 5.4 Angstroms
• Un tour contient 13 atomes
• Phi et psi sont répétitifs, valant environ -60 degrés et -45 degrés respectivement.

(déplacement translationnel : déplacement de l’hélice vers le haut)

L’alignement des ponts H
conduit à la formation d’un
macrodipôle, que la nature
tente de neutraliser avec des
résidus chargés.
Tendance: au N-terminal, on
verra des acides. Au Cterminal, des basiques.

(ce qui va stabiliser l’hélice alpha c’est les ponts h, qui vont se former entre le premier et le 3e aa (O-H))

Question 14

Qu’est-ce que le feuillet bêta ?

Answer 14

Fait d’au moins 2 brins bêta!
* Les mêmes caractéristiques que pour l’hélice
* Se retrouve avec des brins parallèles ou anti parallèles, selon leur orientation respective.
* Dépl. trans. par résidu:
– 3.47 Angstroms pour les anti-parallèles, et 3.25 pour les parallèles

(sont aussi stabilisés par les ponts H, entre les hydrogène de l’azote et l’oxygène

protéine peut avoir plusieurs feuillets (parallèles ou pas, mais doit avoir complémentarité des charges))

Question 15

Qu’est-ce que le coude bêta ?

Answer 15

• Permet de renverser abruptement la direction de la chaîne pour revenir vers le centre de gravité de la protéine
• Le C du carbonyle est lié par pont H à l’amide du 3ème résidu
• Les prolines et glycines sont préférées pour ces structures

(TRÈS important: prolines et glycines (structure spéciale) (peut pas mettre au milieu d’une hélice))

Question 16

La séquence encode les
structures secondaires

Résidus stabilisants pour les hélices et ceux pour les feuillets ?

Answer 16

• Résidus stabilisants pour les hélices:
  Asp, Leu, Met, soit des chaînes latérales longues et minces
• Résidus stablisants pour les feuillets:
  Thr, Val, Ile, soit des chaînes latérales trapues (et substituées sur le carbone bêta)

Question 17

Algorithmes de prédiction
Puisque la séquence encode la conformation native, pouvons-nous la lire?

Answer 17

• Exemple de tentative pour prédire la structure 3D:
  – Chou-Fasman: chaque acide aminé a une propension pour un type de structure secondaire.
  – Méthode GOR: chaque acide aminé a une propension qui est influencée par ses voisins

Succès ne dépasse pas 80% dans la localisation des éléments de structures secondaires

Question 18

Qu’est-ce que la structure tertiaire ?

Answer 18

• En général, la structure tertiaire permet de compléter la compaction amorcée par les structures secondaires en les comprimant et en maximisant les contacts favorables.
• Les éléments de séquence non
  impliqués dans des structures
  secondaires sont courts et souvent
  exposés à la surface de la structure
  tertiaire
  – Coudes
  – Connecteurs

Question 19

Comment sont les structures tertiaires des protéines globulaires ?

Answer 19

• Afin de créer un coeur non-polaire, on a besoin de 2 couches d’éléments de structure secondaire se faisant face (i.e. pour former un sandwich à l’intérieur duquel on concentre les résidus non-polaires)
• Évidemment, on pointera à l’extérieur les résidus polaires.
• Les régions dites aléatoires ne sont pas périodiques, mais sont
  structurées quand même.
• La structure n’est pas statique et il y a “respiration” thermodynamique
• Des degrés de liberté de mouvement différents caractérisent différents
  domaines d’une protéine quaternaire

Question 20

Quels sont les principes de repliement ?

Answer 20

• Résidus polaires sont surtout exposés au solvant
• Résidus non-polaires sont empaquetés à l’intérieur pour la plupart
• Le repliement est serré, excluant l’eau du coeur non-polaire qui est quasi-cristallin
• Ce coeur n’est pas plein cependant, le ratio de VdW sur le volume total est de 0.72 à 0.77
  ….ce ratio serait de 1.0 si c’était plein.

Question 21

Quelles sont Les forces qui prévalent dans le repliement tertiaire ?

Answer 21

• La chaîne peptidique doit en tout temps satisfaire les contraintes stériques et à la rigidité du plan peptidique
• Le repliement tente de cacher un maximum de chaînes latérales non-polaires, loin du solvant
• Les acides aminés étant du type L, ceci favorise un enroulement “main droite” quand on enroule les éléments de structures secondaires.

(angles doivent être respectés même si pas de périodicité)

enroulement main droite

Question 22

Comment est la structure de protéines fibreuses ?

Answer 22

• Le gros de la séquence est organisé de façon à créer un fuseau unidirectionnel.
• Est souvent mécaniquement résistante et insoluble

(peut avoir 2 types organisation : fibreuse ex: cheveux, collagène peau, souvent dans tissus conjonctif)

Question 23

Qu’est-ce que la kératine alpha (protéine fibreuse) ?

Answer 23

Se trouve dans les cheveux, ongles, etc.
* Séquence s’organise en hélices de 311 à 314 résidus, terminés par les
extrémités qui ne sont pas hélicales

• La séquence est riche en répétitions de 7 résidus (positions a,b,c,d,e,f,g) où les positions a et d sont non polaires.
• Ces positions forment une bande non polairequi adhère à une même bande d’une autrehélice, ce qui forme un fuseau d’hélice

Question 24

Qu’est-ce que le collagène ?

Answer 24

Une triple hélice

Composante principale du tissu conjonctif (tendons, cartilage)
* Unité de base est le tropocollagène:
– Trois chaînes de 1000 résidus entremêlées
– MW = 285,000
– 300 nm de long, 1.4 nm de diamètre
– Composition unique en AA

Question 25

Quelle est la thermodynamique du repliement ?

Answer 25

• On doit considérer séparément la
  contribution des termes enthalpique et entropique, selon que la protéine soit pliée ou dénaturée
• L’impact varie selon qu’on parle de groupements polaires ou non-polaires, et qu’on soit dans le vide ou en milieu aqueux.
• La plus grande énergie de stabilisation de l’état plié est le terme entropique, pour lequel l’impact des non-polaires sur l’eau est déterminant.

C’est le terme –TDSsolvant qui est
déterminant!

Question 26

Que sont les chaperonines ?

Answer 26

• Ont pour rôle de protéger les protéines naissantes lors de leur repliement
• Importantes pour grosses protéines et protéines multimériques.
• Aussi appellées “heat shock proteins”

(si regroupements de protéines mal repliés = maladies dégénératives)

Question 27

Qu’est-ce que la structure quaternaire ?

Answer 27

Forces qui déterminent l’association
Constantes de dissociation sont de l’ordre de 10-8 à 10-16 M: i.e. les partenaires se trouvent
facilement même en trace.
– Ceci correspond à une énergie d’associationde 50-100 kJ/mol à 37°C

• Perte d’entropie lié à la rotation et translation: défavorable!
  MAIS…
• Gain d’entropie due à la facilité de cacher résidus non-polaire: très favorable

Question 28

Quels sont les Avantages d’adopter une structure quaternaire ? (3)

Answer 28

• Diminution du ratio surface/volume
• Peut concentrer des activités variées mais reliées sur la même protéine
• Coopérativité entre les sous-unités, régulation