Eléments de description structurale des peptides

Eléments de description structurale des peptides 

Acides Aminés (AA) 

Les acides aminés sont les constituants principaux des protéines. De manière générale, ils ont pour formule NH2-CHR-COOH, R désignant la chaîne latérale caractérisant les acides aminés. Cette chaîne peut comporter diverses fonctions comme un groupe alkyle (alanine, leucine, valine…), une fonction acide (acide aspartique ou glutamique), alcool (sérine ou thréonine), thiol (cystéine, méthionine), etc, le plus petit acide aminé étant la glycine qui ne comporte pas de chaîne latérale (R=H). Cependant en solution aqueuse, les acides aminés ne se présentent jamais sous cette forme, leur structure dépend du pH de la solution, et des fonctions de la chaîne latérale. Lorsqu’ils sont sous forme globalement neutre, ils possèdent en fait une fonction carboxylate et une fonction ammonium, on parle alors de forme zwitterionique. Au contraire lorsqu’ils sont sous forme gazeuse, les acides aminés ne présentent que des structures sans charge formelle. Ce comportement a été établi à la fois expérimentalement et théoriquement.

Peptides 

Rappel : structure des peptides et des protéines 

Les protéines peuvent être formellement considérées comme des polymères obtenus par la condensation d’acides aminés, créant une fonction amide, dite fonction peptidique entre deux résidus. La liaison peptidique étant plane et généralement trans, seuls les angles dièdres N-Cα (habituellement noté Φ) et Cα-CO (Ψ) seront les variables conformationnelles pour la chaîne principale.

On comprend aisément que plus le nombre de résidus augmente, plus le nombre de conformations accessibles devient important. Cependant toutes les valeurs des couples (Φ, Ψ) ne sont pas permises stériquement. Le diagramme de Ramachandran représente l’espace conformationnel accessible. Les diagrammes de Ramachandran   sont semblables pour tous les acides aminés (partie verte), sauf pour la glycine qui est beaucoup plus flexible (parties verte et saumon).

On distingue quatre niveaux de structure pour une protéine : structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure primaire correspond à l’identification de la séquence des acides aminés composant la protéine. La structure secondaire correspond aux conformations locales du squelette protéique, dont les plus connues sont l’hélice α et le feuillet β. L’agencement tridimensionnel des structures secondaires, impliquant des interactions entre résidus distants dans la séquence, constitue la structure tertiaire. Enfin lorsque la protéine comporte plusieurs sous-unités, le positionnement relatif des différentes chaînes polypeptidiques définit la structure quaternaire.

Le problème conformationnel 

Dans le cas de petits peptides, les problèmes conformationnels restent les mêmes, les couples (Φ, Ψ) sont à déterminer pour chaque résidu. Cependant, la plupart des peptides courts sont non structurés. En effet, les différentes conformations possibles ont des énergies relativement proches (quelques kJ.mol -1 de différence), si bien que ces peptides adoptent différentes combinaisons de conformations. Le passage d’une conformation à une autre est généralement rapide (temps de vie de l’ordre de 1 ns) pour les angles Φ, tandis qu’elle est beaucoup plus lente pour les liaisons amides. Cependant certains petits peptides sont structurés. Ils peuvent alors adopter deux grands types de structures secondaires :
– d’une part, des structures à motif périodique, tels que les hélices. Des différences importantes existent avec les structures des protéines, puisque par exemple les peptides ne forment pas de feuillet β. Il existe cependant un équivalent qui est l’épingle à cheveux β ou β-hairpin.
– d’autre part, des conformations qui ne font pas apparaître de périodicité dans la structure tridimensionnelle, on parlera alors de structure globulaire. Un résumé rapide des structures secondaires que l’on peut rencontrer dans le cas des petits peptides est présenté ci-dessous.

Hélices
Les peptides présentent les mêmes types d’hélices que les protéines. On distingue 3 grandes classes d’hélices, selon le nombre d’unités peptidiques par tour d’hélice (noté n) et le pas de l’hélice (noté p). Toutes ces hélices présentent une chiralité, mais seule la configuration droite est observée (en effet la configuration gauche impose un contact trop étroit entre les chaînes latérales et la chaîne peptidique).

L’hélice α
C’est de loin la plus fréquente. Comme toutes les liaisons peptidiques et les liaisons hydrogène sont parallèles, l’hélice α est très polaire. Son moment dipolaire correspond approximativement à 3.5 D par résidu (la charge positive est du côté de l’extrémité N-terminale, la charge négative du côté C-terminal). Les fragments de protéines en hélice α comportent, en moyenne, 12 résidus.

L’hélice 310
L’hélice 310, dans laquelle les liaisons hydrogène ne sont pas parallèles et la structure moléculaire particulièrement dense, n’existe que dans de rares cas (par exemple dans des séquences contenant l’acide α-amino butyrique, ou à certaines extrémités d’hélices α), généralement sur un petit nombre de résidus. Son nom provient de ce qu’elle est constituée de trois résidus par tour, avec 10 atomes du donneur à l’accepteur de liaison hydrogène.

L’hélice π
L’hélice π n’est que très rarement observée, et uniquement comme segment d’hélices plus longues. Sa conformation large et plate entraîne la présence d’un trou axial trop étroit pour admettre des molécules d’eau, mais trop large pour que s’établissent des interactions de van der Waals à travers l’axe de l’hélice.

Le cation Na+ en biochimie

Na+, élément essentiel pour les êtres vivants

Rôle fonctionnel du sodium : canaux à sodium 

Le sodium est un élément essentiel pour les êtres vivants. C’est le principal cation inorganique extracellulaire chez les espèces animales. Il joue notamment un rôle prédominant dans la transmission des influx dans les tissus musculaires et nerveux. La transmission de l’influx nerveux se fait grâce à la présence, dans la membrane entourant le neurone, de canaux ioniques. La transmission correspond à la propagation d’un gradient de concentration d’ions ; les canaux ioniques s’activent et laissent entrer, en quelques millièmes de seconde, des ions sodium (des ions potassium sortent peu de temps après par d’autres canaux): la face interne de la membrane devient alors chargée positivement. L’ouverture de canaux à sodium en une région donnée stimule la membrane de la région adjacente qui devient à son tour excitable…et ainsi de suite. Les canaux ioniques sont des complexes protéiques. Leur fonction est de faciliter ou catalyser la diffusion d’ions à travers les membranes biologiques. En effet, les membranes sont faiblement diélectriques et hydrophobes, le transport des ions à travers elles comporte donc une très haute barrière énergétique. Ces canaux présentent deux conformations, l’une ouverte qui autorise le passage des ions, et l’autre fermée qui l’interdit. Ils jouent donc le rôle de porte et régulent le transfert des ions à travers la membrane. Par ailleurs ils sont sélectifs vis-à-vis des ions. Il existe donc des canaux à sodium, à potassium, à calcium, à chlorures…

Ce modèle de l’influx nerveux dû au transport d’ions à travers une membrane est connu depuis les années 1950 grâce aux travaux de Hodgkin et Keynes, qui reçurent le prix Nobel de médecine en 1963. Cependant ce n’est que depuis une dizaine d’années que la structure tridimensionnelle de certains de ces canaux a pu être déterminée. On peut notamment souligner le travail de R. MacKinnon qui a reçu le prix Nobel de chimie en 2003 pour son étude des canaux de potassium.  Dans le cas de la Kcsa, canal de potassium, le canal est constitué d’un tétramère, dont chaque unité est constituée de segments d’hélices α. Les canaux à sodium sont des monomères quatre fois plus gros que les canaux à potassium.  Cependant la structure des canaux à sodium et à potassium est relativement proche. Chaque segment d’hélice comporte une partie qui sert de porte dont la rotation autour d’une glycine permet d’adopter la conformation ouverte ou fermée, et une partie qui correspond au site sélectif constitué de 6 acides aminés. Le transport des ions, à travers les canaux, se fait par interactions successives avec les oxygènes des carbonyles peptidiques.

Rôle structurant du sodium

L’activité biologique d’une protéine ou d’une enzyme est très sensible à sa structure tridimensionnelle, et aux détails de sa conformation autour de sites spécifiques. Cette structuration est souvent gouvernée par des liaisons hydrogène ou des interactions hydrophobes, comme nous l’avons vu précédemment, mais peut aussi l’être par des interactions électrostatiques, principalement de type charge-charge ou charge-dipôle. Les charges sont souvent liées aux chaînes latérales d’acides aminés (chargées positivement comme dans l’arginine ou la lysine, ou négativement comme dans l’aspartate ou le glutamate), mais peuvent aussi être dues à des cations métalliques. Les cations métalliques ont donc fréquemment un rôle structurant dans les macromolécules biologiques. Si les cations alcalins ont le plus souvent un rôle fonctionnel du type décrit dans le paragraphe précédent, il existe aussi des cas importants dans lesquels leur rôle est structural, en particulier dans des protéines allostériques (leurs activités sont modulées par la fixation noncovalente et réversible d’un ion sodium). L’exemple le mieux caractérisé jusqu’ici est celui de la thrombine,  enzyme de la famille des protéases à sérine, qui joue un rôle essentiel dans la coagulation du sang. De nombreuses études cinétiques et cristallographiques, sur un grand nombre de mutants, ont permis d’établir que l’activation allostérique par le sodium se fait à distance du site catalytique ; les facteurs contrôlant la reconnaissance du cation et l’activation allostérique ne sont pas nécessairement les mêmes. La comparaison détaillée d’un grand nombre de structures et de leur activité catalytique a montré que les changements structuraux induits par la présence du sodium sont faibles, mais peuvent se propager sur de longues distances (au moins 15 Ǻ dans ce cas, beaucoup plus dans d’autres), assurant la transduction de l’attachement du cation en augmentation de l’activité catalytique. Un autre cas intéressant est celui de la dialkylglycine decarboxylase, qui catalyse la décarboxylation et la transamination de dialkylglycines telles que la α-méthyl alanine. Cette enzyme possède deux sites à cations monovalents, dans lesquels se lient des couples (K+ , Na+ ) ou (Na+ , Na+ ). Dans l’un de ces sites, le sodium est positionné à l’extrêmité C-terminale d’un fragment en hélice α, créant une forte stabilisation de type charge-dipôle avec le macro-dipôle de l’hélice.

Table des matières

CHAPITRE I : INTRODUCTION GENERALE
Introduction
I. Eléments de description structurale des peptides
I.A. Acides Aminés (AA)
I.B. Peptides
I.B.1. Rappel : structure des peptides et des protéines
I.B.2. Le problème conformationnel
I.B.3. Structures des peptides
II.Le cation Na+ en biochimie
II.A. Na+ , élément essentiel pour les êtres vivants
II.A.1. Rôle fonctionnel du sodium : canaux à sodium
II.A.2. Rôle structurant du sodium
II.B. Na+ , élément souvent rencontré en biochimie en phase gazeuse
III. Chimie en phase gazeuse.
III.A. Méthodes de spectrométrie de masse
III.B. Intérêt de la chimie en phase gazeuse
III.B.1. Propriétés intrinsèques
III.B.2. Conformation d’un peptide au sein d’une protéine
III.B.3. La micro-solvatation
III.C. Méthodes de chimie théorique
III.D. Conclusions
IV. Notre étude
Bibliographie
CHAPITRE II : PRINCIPES EXPERIMENTAUX DE CARACTERISATION STRUCTURALE DE PETITS IONS BIOLOGIQUES EN PHASE GAZEUSE
Introduction
I. Résumé des développements expérimentaux actuels
I.A. Echange H/D
I.A.1. Principe
I.A.2. Un exemple d’échange H/D en solution
I.A.3. Quelques résultats d’échange H/D en phase gazeuse
I.A.4.Conclusions
I.B. Technique de mobilité ionique
I.B.1. Principe
I.B.2. Application aux cas d’oligomères d’acides aminés
I.C. Techniques de détermination d’énergie de liaison
I.C.1. La méthode d’équilibre
I.C.2. La méthode cinétique de Cooks
I.C.3. Autre exemple : dissociation par radiation infrarouge du corps noir (Blackbody Infrared Radiative Dissociation : BIRD)
I.C.4. Mesure d’énergie au seuil de dissociation : méthode TCID
I.D. Conclusion
II. Etude structurale par spectroscopie infrarouge en phase gazeuse
II.A. Introduction : spectres IR de molécules biologiques
II.B. Spectres IR de neutres en matrice inerte
II.C. Spectres IR de neutres en phase gazeuse
II.D. Spectres IR d’ions en phase gazeuse
II.D.1. Introduction
II.D.2. Principe de l’IRMPD
II.D.3. Tracé d’un spectre IRMPD
II.D.4. Interprétation d’un spectre IRMPD : comparaisons aux spectres IR théoriques
II.D.5. Quelques résultats –
II.D.6. Conclusion
Bibliographie
CHAPITRE III : METHODES EXPERIMENTALES ET THEORIQUES
Introduction
I. Le Laser à électrons libres CLIO
I.A. Introduction
I.B. Principe du LEL
I.C. Structure temporelle du LEL
I.D. Principales caractéristiques du LEL CLIO
II. Le spectromètre de masse MICRA
II.A. Introduction
II.B. Bref rappel sur la spectrométrie de masse FT-ICR
II.B.1. Mouvement cyclotron
II.B.2. Principe de la FTICR
II.B.3. Optimisation de la détection et résolution
II.B.4. Cellules
II.C. Originalités du montage MICRA en 2002
II.C.1. Montage expérimental
II.C.2. Formation des ions et introduction des espèces neutres
II.D. Développement apporté lors de ces travaux
II.D.1. Introduction
II.D.2. Aménagement de MICRA : le MALDI
II.D.3. Les échantillons MALDI
III. Méthodes théoriques
III.A. Introduction
III.A.1. Introduction
III.A.2. Stratégies selon la taille et la nature des systèmes
III.B. Le champ de force AMBER
III.B.1. Les champs de forces
III.B.2. AMBER
III.C. Méthodes de chimie quantique
III.C.1. Introduction
III.C.2. Méthodes Hartree-Fock (HF) et post-Hartree-Fock
III.C.3. Méthodes de la DFT
III.D. La méthode ri-BLYP : principe et calibration
III.D.1. Principe de l’approximation ri
III.D.2. Calibration de ri-BLYP pour le calcul d’énergies
III.D.3. Calibration de ri-BLYP pour le calcul des géométries
III.D.4. Calibration de ri-BLYP pour le calcul de fréquences de vibration
III.D.5. Conclusion
Bibliographie
CHAPITRE IV : ROLE STRUCTURANT DE Na+ SUR LES ACIDES AMINES GLYCINE ET PROLINE
I. Introduction
I.A. Structures des acides aminés isolés
I.A.1. Acides aminés isolés en solution aqueuse
I.A.2. Acides aminés isolés en phase gazeuse
I.B. Stabilisation du zwitterion en phase gazeuse
I.B.1. Microsolvatation
I.B.2. Complexation par un alcalin
I.B.3. Cas de Gly-Na+
I.B.4. Cas de Pro-Na+
I.C. Conclusion
II. Spectroscopie infrarouge des complexes Gly-Na+ et Pro-Na+
II.A. Résumé
II.B. Article
Bibliographie
CHAPITRE V : CONCLUSION GENERALE

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