1. Introduction - Protéines "fibreuses" et protéines "globulaires"

2. La liaison peptidique

3. Les angles de torsion

4. Les diagrammes de Ramachandran

5. Liens Internet et références bibliographiques

1. Introduction - Les 3 grands types de protéines

α. Les protéines fibreuses : elles sont insolubles dans l'eau et constituent la charpente de la cellule. Les fibres protéiques sont constituées de la répétition d'éléments simples qui s'associent en "fils". Ce sont des protéines allongées dont les éléments de structure secondaire sont les structures dominantes. Exemple : la kératine (cheveux, ongles); le collagène (peau, os, ...).

β. Les protéines membranaires :

• Elles sont enchâssées dans la bicouche lipidique et la traversent ou elles sont fixées à l'un des feuillets.
• Ces protéines sont de formes et de tailles très diverses.
• Leurs structures sont regroupées en 2 grandes catégories : toute α ("all helical structures") comme la bactériorhodopsine ou toute β ("all beta structures") comme les porines.

γ. Les protéines globulaires : elles ont une structure tridimensionnelle assimilable à une sphère (un "globule"). On les trouve essentiellement dans le cytosol et les fluides cellulaires.

• Elles ont des séquences en acides aminés non répetitives. Elles ont des tailles de 100 à plusieurs centaines d'acides aminés et adoptent une structure compacte.
• Cette structure compacte leur permet d'interagir spécifiquement avec d'autres molécules. Cette reconnaissance sélective fait des protéines globulaires les agents dynamiques des fonctions biologiques.
• Les chaînes latérales des acides aminés non polaires ont tendance à être enfouis et à constituer le "coeur" hydrophobe.
• Les chaînes latérales des acides aminés polaires ou chargés (hydrophiles) ont tendance à être à la surface de la protéine et accessibles au solvant.
• Les brins β sont en général appariés de manière parallèle ou anti-parallèle et forment des feuillets β.
• En moyenne, 25% des acides aminés sont impliqués dans la formation d'hélices, 25% dans la formation de feuillets et 50% adoptent des arrangements structuraux moins ordonnées / réguliers.
• Parmi les protéines "globulaires", on peut citer : les enzymes ; des protéines sans activité catalytique comme l'hémoglobine.

Voir un cours sur la détermination et l'analyse de la structure des protéines.

2. La liaison peptidique

Les protéines sont des bioplolymères formés par la condensation d'éléments de base : les acides aminés. Tous les acides aminés comportent donc au moins un groupe aminé et un groupe carboxylique.

Les réactions biochimiques modifient des liaisons chimiques ou des régions particulières d'une macromolécule biologique. Ces sites "réactifs" ou groupes fonctionnels sont de différents types. Figure ci-dessous : groupes fonctionnels et les liaisons dans les macromolécules biologiques.

La liaison qui unit 2 acides aminés consécutifs s'appelle la liaison peptidique. Les 2 acides aminés sont alors appelés résidus d'acide aminé.

Comme l'oxygène est plus électronégatif que l'azote, les électrons délocalisés de la liaison peptidique sont plus proches de l'oxygène : la liaison peptidique est donc polaire. L'oxygène carbonyle porte une charge partielle négative et l'azote une charge partielle positive : tous deux peuvent former une liaison hydrogène.

La liaison du carbone carbonyle avec l'azote dans la liaison peptidique (1,33 Å, non indiquée dans la figure) est plus courte que la liaison simple C-N mais plus longue qu'une liaison double C=N classique.

Le caractère partiellement double de la liaison peptidique empêche la rotation autour de la liaison C-N. En conséquence, le groupe peptidique est confiné dans un plan. Il existe cependant une liberté de rotation autour des liaisons Cα-C et N-Cα.

3. Les angles de torsion

La structure secondaire de la liaison peptidique est déterminée par 3 angles de torsion :

• Φ (phi) entre l'atome N_i et l'atome C^α_i
• Ψ (psi) entre l'atome C^α_i et l'atome C^'_i
• ω (omega) pour la liaison entre l'atome C^'_i et l'atome Ni+1

Source : Kuriyan et al. (2013)

La liaison peptidique à le caractère d'une liaison double partielle (40%). Elle est presque exclusivement dans la conformation trans dans les protéines car cette conformation est plus favorable stériquement.

En conséquence, l'angle ω est fixe et l'aire entre 2 carbones a consécutifs peut être considérée comme une unité peptidique planaire et rigide (figure ci-dessus).

• L'angle de torsion vaut zéro quand l'atome voisin est dans une conformation cis.
• Une valeur positive correspond à une torsion de cet angle dans le même sens que la flèche (figure ci-dessus).
• Quand les atomes du squelette carboné sont dans une conformation trans, l'angle de torsion vaut : +180° ou -180°.

Parfois l'angle dihédral est utilisé à la place de l'angle de torsion. Il est défini comme l'angle de torsion +180° : Φ_dihédral = Φ_torsion + 180°.

4. Les diagrammes de Ramachandran

Dans la structure des protéines, toutes les valeurs des angles Ψ et Φ ne sont pas possibles car certaines rapprochent trop les atomes des chaînes latérales les uns des autres : il en résulte une répulsion entre ces atomes due à l'interaction de van der Waals et cette situation est énergétiquement défavorables.

Comme l'angle ω est fixe, la structure secondaire de la liaison peptidique peut, en pricipe, être décrite par les 2 autres angles Φ et Ψ.

Sources : figure de gauche, Diez et al. (2013) - figure de droite, Kuriyan et al. (2013)

Méthode du diagramme de Ramachandran

Un tel diagramme permet de représenter sous forme d'aires, les différentes combinaison d'angles tolérés de la liaison peptidique.

• G.N. Ramachandran et ses collaborateurs (Ramachandran et al., 1963) ont utilisé des modèles informatiques de petits polypeptides pour faire varier les angles de torsion dans le but de trouver des conformations stables. Pour chaque conformation, les contacts entre atomes de la structure ont été analysés.
• Les atomes ont été traités comme des sphères dures dont les dimensions correspondaient à leurs rayons de van der Waals : les angles qui génèrent une collision entre ces sphères correspondent aux conformations stériques non autorisées du squelette polypeptidique.
• Par exemple, l'angle Ψ de la proline est verrouillé autour de -60º.
• Les régions non autorisées correspondent généralement à une entrave stérique entre le groupe CH₂ de la chaîne latérale et les atomes de la chaîne principale.

Figure adaptée de : "Alpha helix (Wikipedia)"

Dans la figure ci-dessus, on distingue différentes aires :

• Celle qui correspond aux valeurs d'angles d'une hélice α : Φ = -57° et Ψ = -47°.
• D'une hélice 3₁₀ est dans le coin supérieur droit de la région hélice α (au bord de la région autorisée), ce qui indique une stabilité plus réduite.
• D'un feuillet β : Φ = -139° et Ψ = +135°.
• Le reste de la figure (les zones blanches) correspond à des valeurs d'angles non autorisés.
• Les zones indiquées par un trait vert correspondent aux valeurs d'angles autorisées si des rayons de van der Waals légèrement plus petits sont utilisés dans le calcul (les atomes peuvent se rapprocher davantage). Cela fait ressortir une région supplémentaire qui correspond à l'hélice α gauche.
• Les acides aminés L ne peuvent pas former des régions étendues d'hélice gauche. En revanche, certains résidus d'acides aminés individuels peuvent adopter cette conformation. Ce sont généralement la glycine, l'asparagine ou l'aspartate au sein desquels la chaîne latérale forme une liaison hydrogène avec la chaîne principale et stabilise cette conformation défavorable.
• La glycine n'a pas de chaîne latérale et peut donc adopter des angles Ψ et Φ dans les 4 quadrants du diagramme de Ramachandran. On trouve fréquemment la glycine dans des régions où tout autre résidu serait stériquement entravé (par exemple, les boucles et les tours).

Script python pour la représentation du diagramme de Ramachandran d'une protéine à partir du code PDB.

Visualiser un diagramme de Ramachandran à l'EBI : superoxide dismutase de Bos taurus (PDB 1E9O).

Voir PDBsum / EBI pour d'autres diagrammes de Ramachandran.

Un diagramme de Ramachandran peut être construit de 2 manières :

• La façon la plus simple est le modèle de la "sphère solide" où les atomes sont considérés comme des sphères "impénétrables" les unes par les autres (rayon de Van der Waals). Les sphères ne peuvent s'approcher à moins d'une distance donnée. Deux valeurs limites de distances sont utilisées : la limite normale et la limite intérieur" (voir le tableau ci-dessous).

• L'autre méthode est de calculer l'énergie de la protéine pour différentes valeurs des angles Φ et Ψ.