I. Définition et généralités
Définition
Substances de masse moléculaire élevée qui, par hydrolyse, libèrent des acides aminés.→ macromolécules cellulaires · 60% du poids sec des cellules · 60 000 protéines différentes connues
→ Une ou plusieurs chaînes polypeptidiques · Poids moléculaire > 10 000
→ Appelées "nanomachines" cellulaires en raison de leur diversité fonctionnelle
→ Les AA sont l'alphabet de la structure protéique — enchaînement quasi infini de séquences possibles
Importance en médecine
Mécanisme d'action · Diagnostic et biomarqueurs · Pronostic et suivi thérapeutique · Cibles thérapeutiques · Vaccinologie et immunologie · Médecine personnaliséeExemples : CFTR (mucoviscidose), Alpha-hémolysine (Staphylococcus aureus), Spike SARS-CoV-2, canaux ioniques (canal sodique voltage-dépendant), facteur VIII (coagulation)
II. Classification des protéines
1. Selon la forme
| Type | Structure | Solubilité | Exemples | Rôle |
|---|---|---|---|---|
| Fibreuses (Scléroprotéines) |
Chaînes allongées, enroulées hélicoïdalement autour d'un axe | Insolubles dans l'eau (si extracellulaires) | Extracell. : kératine α, fibroïne de la soie, élastine, collagène Intracell. : myosine, tropomyosine |
Structure et protection |
| Globulaires | Forme sphérique, repliée | Solubles dans l'eau | Albumine (plasma), LH (hormone), calmoduline (cytosol), hémoglobine, transferrine | Transport, récepteurs, canaux ioniques, liaisons GAP, adhésion, catalyse... |
⚠️ Piège QCM
Fibreuses ≠ Filamenteuses ! Les protéines filamenteuses sont des protéines globulaires attachées les unes aux autres. Ne pas confondre.
2. Selon la composition
| Type | Composition | Exemples |
|---|---|---|
| Holoprotéines | Uniquement des acides aminés | — |
| Hétéroprotéines | Partie protéique (apoprotéine) + partie non protéique · Les deux parties sont liées par des liaisons covalentes, ioniques, hydrogène ou hydrophobes | Hémoglobine (hème), métalloprotéines (Cu, Zn), chromoprotéines (pigment), phosphoprotéines (phosphate), nucléoprotéines (ADN), lipoprotéines (lipides) |
Le groupement prosthétique = partie non protéique qui induit de nouvelles propriétés biologiques (ex : hème de l'hémoglobine).
Apoprotéine = partie protéique seule / Holoprotéine = apoprotéine + groupement prosthétique = protéine complète et active.
3. Selon la fonction
| Fonction | Exemples |
|---|---|
| Structure et soutien | Collagène, élastine, glycoprotéines membranaires |
| Contraction | Actine, myosine |
| Adhésion cellulaire | Cadhérine, protéines des GAP junctions |
| Réception de signaux | Récepteurs membranaires de l'insuline, récepteurs intracellulaires des stéroïdes |
| Transduction de signaux | Protéines G membranaires |
| Signal (molécule informative) | Facteurs de croissance (EGF), hormones protéiques (FSH) |
| Immunité | Immunoglobulines |
| Transport | Hémoglobine (O₂), transferrine (fer) |
| Catalyse | Enzymes (métabolisme, réplication, transcription ADN, contraction, signalisation) |
III. Structure primaire
Définition
- = Structure covalente : ordre d'enchaînement des AA dans la chaîne peptidique
- Maintenue par des liaisons peptidiques (fortes, covalentes)
- Responsable de l'identité de la protéine = les chaînes latérales R constituent la signature de la protéine
- Le squelette axial est commun à toutes les protéines
La liaison peptidique
- Formée par réaction de condensation : –COOH d'un AA + –NH₂ d'un autre → liaison + H₂O
- Coplanaire (atomes adjacents dans un même plan)
- Caractère de double liaison partielle par résonance → rigidité quasi complète
- Rotations absentes autour de la liaison C–N
- 2 conformations possibles : cis ou trans
- Conformation trans favorisée énergétiquement
Angles Phi (Φ) et Psi (Ψ)
Rotation limitée autour du lien peptidique (double liaison partielle)Rotation permise autour des liaisons simples : N–Cα (angle Φ = phi) et Cα–C (angle Ψ = psi)
Ces angles définissent la conformation de la chaîne et permettent le repliement en structures secondaires
⭐ Identité d'une protéine — Concept fondamental
Le squelette axial (N–Cα–C répété) est non spécifique = commun à TOUTES les protéines.Ce qui confère son identité à une protéine = l'ensemble des chaînes latérales R des AA protéinogènes qui la composent.
Cet ensemble constitue la signature de la protéine.
Convention d'écriture
Le premier AA porte le NH₂ libre (N-terminal) · Le dernier porte le COOH libre (C-terminal)Le peptide se lit et s'écrit de gauche à droite (N-terminal → C-terminal)
Exemple : Asp-Lys-Gln-His-Cys-Arg-Phe = DKQHCRF
La liaison peptidique est coplanaire et rigide (double liaison partielle par résonance). Les rotations se font autour des liaisons simples Cα–N (Φ) et Cα–C (Ψ).
Conformation trans = favorisée / conformation cis = rare (sauf Pro).
IV. Structure secondaire
A. Hélice α droite
Caractéristiques
- Pas à droite de 0,54 nm (5,4 Å) par tour
- 3,6 AA par tour (soit 18 AA en 5 tours)
- Constituée de 5 à 40+ AA en général
- Présente dans fibreuses ET globulaires
- Caractérise kératine α, fibrinogène, myosine
Stabilisation
- Liaisons H entre C=O et N–H distants de 4 AA, inclinées à 30°
- Interactions de Van der Waals
- Plus l'hélice est longue → plus stable (forte coopérativité)
| AA favorisant l'hélice α | AA mauvais formateurs (défavorisent l'hélice α) |
|---|---|
| Ala, Glu, Leu, Met | Pro (rigidité de l'amine secondaire, génère des coudes), Gly (trop petite), Tyr, Ser |
Pro et Gly défavorisent l'hélice α. Pro génère des coudes β. Gly est trop petite (R=H) et trop flexible.
⚡ Calcul de longueur d'hélice α — Type exercice QCM
Données : 3,6 résidus/tour · 5,4 Å d'élévation/tourFormule : Longueur = (Nombre de résidus ÷ 3,6) × 5,4 Å
Exemple du cours : 80 résidus en hélice α continue
→ (80 ÷ 3,6) × 5,4 = 120 Å = 12 nm
Autre exemple : 36 résidus → (36 ÷ 3,6) × 5,4 = 54 Å = 5,4 nm (= 10 tours)
B. Feuillet plissé β
Caractéristiques
- Constitué de brins β : chaînes de conformation très étirée, en "succession de toits"
- Très nombreuses liaisons H entre les brins (liaisons peptidiques)
- Brins parallèles ou antiparallèles
- Antiparallèle = plus stable (liaisons H en alignement parfait)
- 2e structure secondaire la plus fréquente (après hélice α)
- AA très fréquents : Gly, Val, Ile (3 apolaires)
C. Boucles et coudes β
| Coudes β | Boucles | |
|---|---|---|
| Longueur | 4 résidus (courts) | > 4 AA (plus longues) |
| Stabilisation | Pont H entre AA 1 et AA 4 | Interaction avec le solvant (pas toutes en H intramoléculaire) |
| Rôle | Changement de direction de la chaîne · lie 2 brins β antiparallèles · tour en U | Entre hélices α, entre hélices α et brins β, entre brins β parallèles |
| AA typiques | Gly et Pro | Tous les AA |
Motif spécial des facteurs de transcription
Les facteurs de transcription comportent souvent un motif hélice-boucle-hélice
D. Hélice gauche du collagène (Poly-Gly / Poly-Pro)
Particularités
- Les chaînes riches en Gly et Pro forment des hélices gauches
- Poly-Pro en solvant aqueux → conformation d'hélice gauche
- Poly-Gly en solvant aqueux → oscille entre hélice gauche et feuillet β
- Hélices gauches = 3 AA par tour (plus petites que l'hélice α avec 3,6 AA/tour)
- Pas = 0,94 nm · 0,31 nm par résidu · 1000 résidus par chaîne
- Séquence répétitive du collagène : –(Gly–X–Y)n– avec X = Pro et Y = HydroxyPro ou HydroxyLys
- Hélice gauche du collagène plus étirée que l'hélice α
V. Structure super-secondaire (motifs)
Définition
Associations caractéristiques de feuillets β et hélices α fréquentes dans les protéines globulaires. Facultatif.
| Motif | Composition | Exemple / Rôle |
|---|---|---|
| Main EF | Hélice E – Boucle – Hélice F | Calmoduline : la boucle loge un atome de Ca²⁺ |
| Fermeture éclair de Leucine (Leucine zipper) | 2 hélices α | 4 Leu présentes tous les 7 résidus · domaine de dimérisation |
| Doigt de zinc | 1 boucle + 1 atome Zn + 2Cys + 2His (ou 4Cys) | Facteurs de transcription liant l'ADN |
| Clé grecque | 4 brins β | Structure β répétée |
| Brin β–hélice α–brin β | βαβ | Motif fréquent dans les protéines globulaires |
La calmoduline = protéine à motif "main EF" (hélice-boucle-hélice) qui fixe le Ca²⁺ dans la boucle.
VI. Structure tertiaire
Définition
- S'applique obligatoirement aux protéines globulaires
- Les protéines fibreuses ne possèdent généralement PAS de structure tertiaire
- Structure tridimensionnelle compacte = conformation biologiquement active
- Contient les structures secondaires + segments sans structure secondaire
- La structure 3° = UNIQUE structure NATIVE fonctionnelle de la protéine
Liaisons stabilisant la structure tertiaire
- Interactions ioniques (entre chaînes R chargées)
- Interactions hydrophobes (fortes au centre de la protéine)
- Liaisons hydrogène (stabilisent les repliements)
- Forces de Van der Waals
- Ponts disulfures (entre 2 Cys, covalents)
Les interactions hydrophobes sont les plus fortes au centre de la protéine (effet hydrophobe = les chaînes R apolaires s'enfouissent au cœur).
VII. Structure quaternaire
Définition
- S'applique facultativement aux protéines globulaires
- = Association de plusieurs sous-unités (monomères) dans une même molécule
- Sous-unités reliées par des liaisons faibles UNIQUEMENT (jamais covalentes)
- Monomère = sous-unité à l'état libre
- Oligomère = protéine résultante
- Protomère = élément de symétrie se répétant n fois
- Si toutes les sous-unités sont identiques → protomère = monomère → notation ex : α₄
- Si sous-unités différentes (ex : 2 α + 2 β) → protomère = [αβ] → protéine = α₂β₂ (2 protomères)
- Exemple : Hémoglobine = α₂β₂ (protomère [αβ] répété 2 fois)
Hémoglobine = α₂β₂ → tétramère. Protomère = [αβ]. Les sous-unités sont liées par des liaisons FAIBLES (non covalentes).
VIII. Protéines fibreuses en détail
A. Collagène — La protéine la plus abondante chez l'Homme
Structure du collagène
- Protéine humaine la plus importante — présente dans tous les tissus et organes
- Un humain de 70 kg contient 12–14 kg de protéines dont 6–7 kg de collagène
- Structure = triple hélice : 3 chaînes polypeptidiques en hélice gauche, enroulées en superhélice droite
- Séquence répétée : –(Gly–X–Y)– (X = Pro, Y = HydroxyPro ou HydroxyLys)
- La Gly en position 1 chaque 3 résidus est essentielle → seule assez petite pour s'insérer au centre de la triple hélice
- Hélice gauche : pas = 0,94 nm · 3 résidus/tour · 1000 résidus/chaîne
- Molécule précurseur = tropocollagène → forme des microfibrilles → fibres
- Les 3 chaînes sont décalées d'un résidu les unes par rapport aux autres
- Protéine extracellulaire, insoluble, résistante à la tension
- Une vingtaine de types différents
| Type | Localisation | Sous-unités |
|---|---|---|
| Collagène I | Peau, os, tendon, cornée, vaisseaux sanguins | 2 sous-unités α1 + 1 sous-unité α2 |
| Collagène II | Cartilage, disques intervertébraux | 3 sous-unités α1 (type II) |
| Collagène III | Vaisseaux sanguins, peau fœtale | 3 sous-unités α1 (type III) |
🔴 Scorbut (carence vitamine C)
Vitamine C (acide ascorbique) → nécessaire à l'hydroxylation de Pro et Lys du collagèneCarence → perturbation hydroxylation → altération liaisons H interchaînes et liaisons croisées covalentes
→ Fragilité capillaire (ecchymoses), perte des dents, dégénérescence osseuse, cicatrisation déficiente
🔴 Maladies du collagène
- Ostéogenèse imparfaite → mutation du collagène I → os fragile, fractures
- Chondrodysplasies → mutation du collagène II → cartilage anormal, malformation des os
- Maladie d'Ehlers-Danlos → mutation du collagène III → peau fragile, vaisseaux fragiles, laxité articulaire
B. Kératine
Structure et propriétés
- Une cinquantaine de molécules (Kx) : cheveux, poils, ongles, cornes, filaments du cytosquelette
- K5 et K14 dans la peau
- Exclusivement constituée d'hélices α
- Formée de 2 hélices α droites → s'enroulent pour former une super-hélice gauche (coiled-coil)
- Une hélice de type 1 (acide) + une hélice de type 2 (basique)
- Riche en Cys → nombreux ponts disulfures = résistance et insolubilité
- Contient aussi Met, Ala, Phe
- Extrémités N et C = parties globulaires (~310 AA de domaine central)
🔴 Épidermolyse bulleuse
Maladie héréditaire → mutation des kératines K5 et K14 → apparition de cloques (bulles d'air) sur la peau
Application : La permanente des cheveux
1. Agent réducteur + chaleur → clivage des ponts disulfures → 2 résidus Cys2. Chaleur humide → rupture des liaisons H → déroulement des hélices α
3. Mise en forme (boucles) + agent oxydant → nouveaux ponts disulfures entre Cys adjacentes
→ Les fibres capillaires gardent la forme bouclée désirée
IX. Myoglobine et Hémoglobine
A. Myoglobine
Structure
- 153 AA · Pigment voisin de l'Hb · cytoplasme/sarcoplasme des fibres musculaires
- Structure 2° : 8 segments hélicoïdaux α (étiquetés A à H)
- ~75% des résidus en hélice α
- Proline dans certaines régions inter-hélicoïdales
- Groupe hème = Protoporphyrine IX (4 cycles pyrrole reliés par ponts méthine =CH–)
- Fe²⁺ : 6 positions de coordination :
- 4 occupées par les N des noyaux pyrroliques
- 5ème : N de l'His proximal (F8) → hélice F
- 6ème : O₂ lié de façon réversible (à proximité : His distale E7 → hélice E)
- Seul Fe²⁺ peut lier O₂ (Fe³⁺ → méthémoglobine → ne peut pas lier O₂)
- Liaisons His proximal et O₂ sont perpendiculaires au plan hème, de part et d'autre
B. Hémoglobine
Structure de l'Hb adulte (HbA)
- Tétramère : 2 chaînes α (141 AA) + 2 chaînes β (146 AA) = α₂β₂
- Chaque monomère contient 1 groupe hème → 4 hèmes au total
- Structure primaire, secondaire, tertiaire ET quaternaire
- Structure 2° de type hélice α pour les chaînes α et β
- Une molécule d'Hb peut lier 4 molécules d'O₂
- Transport O₂ : poumons → tissus extrapulmonaires
- Oxydation Fe²⁺ → Fe³⁺ → méthémoglobine → ne lie plus O₂ → hypoxie tissulaire
| Hémoglobine | Stade | Chaînes | Chromosome |
|---|---|---|---|
| Hb Gower I | Embryonnaire | ζ₂ε₂ | 16 (ζ) + 11 (ε) |
| Hb Gower II | Embryonnaire | α₂ε₂ | 16 (α) + 11 (ε) |
| Hb Portland | Fœtal précoce | ζ₂γ₂ | 16 (ζ) + 11 (γ) |
| HbF (fœtale) | Fœtal | α₂γ₂ (Gγ et Aγ) | 0,5% chez l'adulte |
| HbA₁ | Adulte principal | α₂β₂ | 97,5% chez l'adulte |
| HbA₂ | Adulte mineur | α₂δ₂ | 2% chez l'adulte |
Gènes de l'hémoglobine — Chromosomes
Chromosome 16 : gènes du groupe α → ζ (embryonnaire), pseudogènes, α1 et α2 (adultes)Chromosome 11 : gènes du groupe β → ε (embryonnaire), Gγ et Aγ (fœtaux), pseudogène Φβ, δ et β (adultes)
Gènes embryonnaires = bleu · Fœtaux = vert · Adultes = jaune · Pseudogènes = rouge
Gènes des chaînes α : chromosome 16 / Gènes des chaînes β : chromosome 11
🔴 Drépanocytose (HbS) — Maladie à connaître absolument
- Mutation ponctuelle T→A sur le chromosome 11
- Substitution position 6 de la chaîne β : Glu → Val
- Le mutant Val forme une interaction hydrophobe avec un AA non polaire d'une autre Hb (état désoxygéné)
- Polymérisation des HbS → structures fibreuses → globules rouges en forme de faucille
- Conséquences : blocage capillaires → micro-infarctus / lyse par la rate → anémie hémolytique
- HbS distinguable de HbA par mobilité électrophorétique altérée
🎯 Récapitulatif QCM — Points les plus testés
🔴 Retenir absolument
- Protéines = 60% du poids sec des cellules, PM > 10 000
- Fibreuses ≠ filamenteuses (piège !)
- Liaison peptidique = condensation, coplanaire, rigide, trans favorisée
- Hélice α : 3,6 AA/tour, pas = 5,4 Å, liaisons H entre AA distants de 4
- Feuillet β antiparallèle > parallèle (plus stable)
- Coude β = 4 résidus, Gly et Pro typiques
- Structure 3° = UNIQUE structure NATIVE fonctionnelle
- Structure 4° = liaisons FAIBLES entre sous-unités (jamais covalentes)
- Collagène = protéine la plus abondante (6-7 kg sur 70 kg)
- Collagène = triple hélice gauche → superhélice droite, séquence Gly-X-Y
- Scorbut = carence vit C → hydroxylation Pro/Lys impossible
- Kératine = super-hélice gauche de 2 hélices α droites, ponts disulfures
- HbA = α₂β₂, 4 hèmes, 4 O₂, Fe²⁺ obligatoire
- Drépanocytose = Glu→Val en position 6 chaîne β, globules en faucille
- Fe³⁺ (méthémoglobine) = ne lie pas O₂
🟢 Distinctions clés QCM
- Fibreuses (hélicoïdal, insolubles) vs globulaires (sphériques, solubles)
- Holoprotéine (AA seuls) vs hétéroprotéine (AA + groupement prosthétique)
- Liaisons H hélice α : entre AA distants de 4 (pas entre AA adjacents)
- Hélice α : Ala/Glu/Leu/Met favorisent / Pro/Gly/Tyr/Ser défavorisent
- Hélice α = droite / hélice collagène = gauche / kératine = super-hélice gauche
- Collagène I = peau/os / II = cartilage / III = vaisseaux/peau fœtale
- Myoglobine = monomère / Hémoglobine = tétramère α₂β₂
- HbF = α₂γ₂ (fœtale) / HbA₁ = α₂β₂ (adulte, 97,5%)
- Gly essentielle tous les 3 résidus dans collagène (seule assez petite)
- Calmoduline = motif main EF (hélice-boucle-hélice) + Ca²⁺