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Quelle différence les configurations trans et cis des groupes amide apportent-elles à la chaîne polypeptidique ?

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Salut, je me demandais juste s'il y aurait une différence dans la structure de la chaîne polypeptidique, ou des changements dans les caractéristiques d'une protéine, si elle a plus de groupes amide avec une configuration cis ou trans.

Apparemment, la configuration trans est plus stable, donc plus d'acides aminés avec une configuration trans peuvent être trouvés dans une chaîne polypeptidique. Cela pose-t-il une caractéristique significative à une protéine, et si oui quelle est cette caractéristique ?


Apparemment, la configuration trans est plus stable, donc plus d'acides aminés avec une configuration trans peuvent être trouvés dans une chaîne polypeptidique. Cela pose-t-il une caractéristique significative à une protéine, et si oui quelle est cette caractéristique ?

Comme vous l'avez dit, le trans- la forme est énergétiquement plus favorable. Cependant, en proline le cis- forme est énergétiquement similaire à la trans- former. Les cis- La structure introduit un coude ou un coude dans la chaîne peptidique qui est observé dans le cas de la proline (voir cette section de la page wikipedia sur la proline).


Quelle différence les configurations trans et cis des groupes amide apportent-elles à la chaîne polypeptidique ? - La biologie

Proline partage de nombreuses propriétés avec le groupe aliphatique.

Proline n'est formellement PAS un acide aminé, mais un acide imino. Néanmoins, on l'appelle un acide aminé. L'amine primaire sur le carbone alpha du glutamate semialdéhyde forme une base de Schiff avec l'aldéhyde qui est ensuite réduit, produisant de la proline.

Lorsque la proline est dans une liaison peptidique, elle n'a pas d'hydrogène sur le groupe amino &alpha, elle ne peut donc pas donner de liaison hydrogène pour stabiliser une hélice &alpha ou une feuille &beta. On dit souvent, à tort, que la proline ne peut pas exister dans une hélice &alpha. Lorsque la proline se trouve dans une hélice alpha, l'hélice aura une légère courbure en raison de l'absence de liaison hydrogène.

La proline se trouve souvent à la fin de l'hélice &alpha ou dans les tours ou les boucles. Contrairement à d'autres acides aminés qui existent presque exclusivement dans le trans- forme en polypeptides, la proline peut exister dans le cis-configuration en peptides. Les cis et trans les formes sont presque isoénergétiques. Les cis/trans l'isomérisation peut jouer un rôle important dans le repliement des protéines et sera davantage discutée dans ce contexte.


Le groupe amide non planaire

Les structures cristallines des lactames à cycle moyen et de leurs chlorhydrates cristallins fournissent des informations détaillées sur la nature des distorsions hors du plan du groupe amide. Le caprylolactam a un effet non plan transgroupe amide oïde dans le cristal mais existe en solution sous la forme d'un mélange à l'équilibre d'au moins deux conformations, l'une avec une forme presque plane cis-groupe amide, un avec un non planaire transgroupe oid-amide. Le sel de chlorhydrate correspondant est protoné sur l'oxygène et contient un cis-groupe amide. Pour les groupes amide non plans, on constate que la courbure hors plan à l'azote est à peu près aussi importante que la torsion pure, la contribution de la courbure hors plan au carbone carbonyle étant plus petite. Ces résultats, ainsi que des données approximatives sur les différences d'énergie entre les conformations de lactame, peuvent être utilisés pour tester diverses fonctions potentielles qui ont été proposées. Il est conclu que bien que la conformation d'équilibre du groupe amide puisse être plane ou proche de celle-ci, une déformation hors plan peut être réalisée à un coût énergétique très modeste. Dans la construction de modèles de chaînes polypeptidiques ou dans l'ajustement de tels modèles à des cartes de densité électronique de cristaux de protéines, l'unité peptidique strictement plane incorpore ainsi des restrictions qui peuvent être assez facilement assouplies dans la molécule elle-même.

Ce travail a été réalisé avec le soutien financier du Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.


05. Structure des protéines

E.
Les atomes d'oxygène du carbonyle pointent vers le haut l'axe de l'hélice du N-terminal au C-terminal.

B. L'hélice alpha comprend les vingt acides aminés à des fréquences égales

C. L'hélice alpha est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupes amido du squelette et les groupes carbonyle des chaînes polypeptidiques

D. La structure de l'hélice alpha est maintenue par une liaison hydrogène entre les chaînes latérales des acides aminés

B. sont principalement responsables des liaisons hydrogène qui forment l'hélice.

C. s'étendent radialement vers l'extérieur à partir de l'axe de l'hélice.

B. la formation d'une liaison disulfure dans une protéine nécessite que les deux résidus cystéine participants soient adjacents l'un à l'autre dans la séquence primaire de la protéine

C. la dénaturation des protéines conduit toujours à une perte irréversible de la structure secondaire et tertiaire

D. les informations requises pour le repliement correct d'une protéine sont contenues dans la séquence spécifique d'acides aminés le long de la chaîne polypeptidique

B. Les protéines sont constituées d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques.

C. Les protéines globulaires sont généralement très compactes.

D. Les chaînes latérales d'acides aminés non polaires sont généralement disposées à la surface où elles interagissent avec l'eau.

B. L'hélice alpha peut être composée de plus d'une chaîne polypeptidique.

Les feuilles de C. bêta n'existent que sous la forme antiparallèle

D. l'hélice alpha est stabilisée principalement par des interactions ioniques entre les chaînes latérales des acides aminés

les coudes bêta contiennent souvent de la proline qui crée un pli.
L'hélice alpha diffère de la feuille bêta en ce qu'elle implique toujours l'enroulement d'une seule chaîne polypeptidique. La feuille bêta se présente à la fois sous des formes parallèles et antiparallèles.


Énergies conformationnelles et statistiques configurationnelles des copolypeptides contenant de la l -proline ☆

L'énergie conformationnelle calculée pour un trans- le résidu l -prolyle lorsqu'il est isolé d'autres résidus prolyle dans une chaîne polypeptidique est caractérisé par deux minima d'énergie comparable apparaissant près de ψ = 125 ° (A) et = 325 ° (C), où est l'angle de rotation autour de la Liaison C ∞ C l'angle φ de rotation autour de la liaison NC ∞ est fixé à env. 122° par le cycle pyrrolidine. La conformation compacte (A), se rapprochant de celle de l'hélice α de droite, est exclue par des interactions stériques pour tout l -résidu (par exemple Ala ou Pro) auquel succède l -Pro, ces résidus étant forcés d'adopter le plus forme étendue (C) ressemblant à la conformation prédominante pour les résidus du type l -Ala dans les polypeptides enroulés au hasard. Les résidus suivant l -Pro dans la séquence de la chaîne ne sont pas soumis à des contraintes particulières. Ainsi, un résidu prolyle peut ne pas apparaître dans une hélice , sauf en tant que première unité d'une séquence en hélice . Ces déductions des énergies conformationnelles du résidu l-Pro et du résidu le précédant dans la chaîne polypeptidique sont confirmées par des conformations de résidus dans la myoglobine et dans le lysozyme. L'accessibilité de la conformation A pour un résidu l-Pro isolé explique sa capacité à s'adapter à des virages serrés dans la conformation squelettique d'une protéine native. Dimensions carrées moyennes,r 2 〉o, ont été calculés pour des copolypeptides enroulés aléatoirement de l -alanine et/ou de glycine avec de faibles proportions de trans- l -proline, les séquences de deux résidus Pro ou plus étant exclues de la considération. Les dimensions moyennes (〈r 2 〉o) de poly- l -alanine sont déprimés par l -Pro à un degré qui dépend de l'incidence de la conformation A, c'est-à-dire de l'énergie de A en dessous de C. Les copolymères de l -Ala avec Gly contenant une faible proportion de Gly sont affectés de la même manière par l-Pro. En présence d'une grande proportion de Gly, l'effet sur 〈r 2 〉o d'une quantité mineure de l -Pro est insignifiante. La portée de ces calculs sur les dimensions des protéines réduites à l'état enroulé au hasard est discutée.

Ce travail a été soutenu par la Direction des Sciences Chimiques, Bureau de la Recherche Scientifique de l'Armée de l'Air Contrat no. AF49(638)1341.


Biochimie. 5e édition.

Les protéines sont polymères linéaires formé en liant le groupe α-carboxyle d'un acide aminé au groupe α-amino d'un autre acide aminé avec un liaison peptidique (aussi appelé un liaison amide). La formation d'un dipeptide à partir de deux acides aminés s'accompagne de la perte d'une molécule d'eau (Figure 3.18). L'équilibre de cette réaction se situe du côté de l'hydrolyse plutôt que de la synthèse. Par conséquent, la biosynthèse des liaisons peptidiques nécessite un apport d'énergie libre. Néanmoins, les liaisons peptidiques sont assez stable cinétiquement la durée de vie d'une liaison peptidique en solution aqueuse en l'absence de catalyseur approche les 1000 ans.

Graphique 3.18

Formation de liaison peptidique. La liaison de deux acides aminés s'accompagne de la perte d'une molécule d'eau.

Une série d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques forment un chaîne polypeptidique, et chaque unité d'acide aminé dans un polypeptide est appelée un résidu. Une chaîne polypeptidique a une polarité car ses extrémités sont différentes, avec un groupe α-amino à une extrémité et un groupe α-carboxyle à l'autre. Par convention, l'extrémité amino est considérée comme le début d'une chaîne polypeptidique, et ainsi la séquence d'acides aminés dans une chaîne polypeptidique est écrite en commençant par le résidu aminoterminal. Ainsi, dans le pentapeptide Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu (YGGFL), la phénylalanine est le résidu amino-terminal (N-terminal) et la leucine est le résidu carboxy-terminal (C-terminal) (Figure 3.19). Leu-Phe-Gly-Gly-Tyr (LFGGY) est un pentapeptide différent, avec des propriétés chimiques différentes.

Graphique 3.19

Les séquences d'acides aminés ont une direction. Cette illustration du pentapeptide Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu (YGGFL) montre la séquence de l'extrémité amino à l'extrémité carboxyle. Ce pentapeptide, la Leu-enképhaline, est un peptide opioïde qui module la perception (suite. )

Une chaîne polypeptidique est constituée d'une partie qui se répète régulièrement, appelée la chaîne principale ou colonne vertébrale, et une partie variable, comprenant le distinctif chaînes latérales (Figure 3.20). Le squelette polypeptidique est riche en potentiel de liaison hydrogène. Chaque résidu contient un groupe carbonyle, qui est un bon accepteur de liaison hydrogène et, à l'exception de la proline, un groupe NH, qui est un bon donneur de liaison hydrogène. Ces groupes interagissent les uns avec les autres et avec les groupes fonctionnels des chaînes latérales pour stabiliser des structures particulières, comme cela sera discuté en détail.

Graphique 3.20

Composants d'une chaîne polypeptidique. Une chaîne polypeptidique se compose d'un squelette constant (indiqué en noir) et de chaînes latérales variables (indiquées en vert).

La plupart des chaînes polypeptidiques naturelles contiennent entre 50 et 2000 résidus d'acides aminés et sont communément appelées protéines. Les peptides constitués d'un petit nombre d'acides aminés sont appelés oligopeptides ou simplement peptides. Le poids moléculaire moyen d'un résidu d'acide aminé est d'environ 110, et donc les poids moléculaires de la plupart des protéines sont compris entre 5 500 et 220 000. On peut aussi se référer à la masse d'une protéine, qui s'exprime en unités de daltons un dalton est égal à une unité de masse atomique. Une protéine d'un poids moléculaire de 50 000 a une masse de 50 000 daltons, soit 50 kd (kilodaltons).

Dalton—

Unité de masse à peu près égale à celle d'un atome d'hydrogène. Nommé d'après John Dalton (1766-1844), qui a développé la théorie atomique de la matière.

Dans certaines protéines, la chaîne polypeptidique linéaire est réticulée. Les liaisons croisées les plus courantes sont Liaisons disulfure, formé par l'oxydation d'une paire de résidus cystéine (figure 3.21). L'unité résultante de cystéines liées est appelée cystine. Les protéines extracellulaires ont souvent plusieurs liaisons disulfure, alors que les protéines intracellulaires en manquent généralement. Rarement, des liaisons croisées non disulfure dérivées d'autres chaînes latérales sont présentes dans certaines protéines. Par exemple, les fibres de collagène dans le tissu conjonctif sont renforcées de cette manière, tout comme les caillots sanguins de fibrine.

Kilodalton (kd)—

Une unité de masse égale à 1000 daltons.

Graphique 3.21

Liens croisés. La formation d'une liaison disulfure à partir de deux résidus cystéine est une réaction d'oxydation.


Contenu

La proline a été isolée pour la première fois en 1900 par Richard Willstätter qui a obtenu l'acide aminé en étudiant la N-méthylproline et a synthétisé la proline par la réaction du sel de sodium du malonate de diéthyle avec le 1,3-dibromopropane. L'année suivante, Emil Fischer a isolé la proline de la caséine et les produits de décomposition de l'ester -phtalimido-propylmalonique [6] et a publié la synthèse de la proline à partir de l'ester propylmalonique de phtalimide. [7]

Le nom proline vient de la pyrrolidine, l'un de ses constituants. [8]

La proline est dérivée biosynthétiquement de l'acide aminé L-glutamate. Le glutamate-5-semialdéhyde est d'abord formé par la glutamate 5-kinase (dépendante de l'ATP) et la glutamate-5-semialdéhyde déshydrogénase (qui nécessite du NADH ou du NADPH). Celui-ci peut alors soit se cycliser spontanément pour former de l'acide 1-pyrroline-5-carboxylique, qui est réduit en proline par la pyrroline-5-carboxylate réductase (en utilisant NADH ou NADPH), soit transformé en ornithine par l'ornithine aminotransférase, suivi d'une cyclisation par l'ornithine cyclodéaminase pour former la proline. [9]

L-La proline s'est avérée agir comme un faible agoniste du récepteur de la glycine et des récepteurs ionotropes du glutamate NMDA et non-NMDA (AMPA/kainate). [10] [11] [12] Il a été proposé d'être une excitotoxine endogène potentielle. [10] [11] [12] Chez les plantes, l'accumulation de proline est une réponse physiologique courante à divers stress, mais fait également partie du programme de développement des tissus génératifs (par exemple le pollen). [13]

La structure cyclique distinctive de la chaîne latérale de la proline confère à la proline une rigidité conformationnelle exceptionnelle par rapport aux autres acides aminés. Il affecte également le taux de formation de liaisons peptidiques entre la proline et d'autres acides aminés. Lorsque la proline est liée sous forme d'amide dans une liaison peptidique, son azote n'est lié à aucun hydrogène, ce qui signifie qu'elle ne peut pas agir en tant que donneur de liaison hydrogène, mais peut être un accepteur de liaison hydrogène.

La formation de liaison peptidique avec le Pro-ARNt Pro entrant est considérablement plus lente qu'avec tout autre ARNt, ce qui est une caractéristique générale des acides N-alkylaminés. [14] La formation de liaisons peptidiques est également lente entre un ARNt entrant et une chaîne se terminant en proline, la création de liaisons proline-proline étant la plus lente de toutes. [15]

La rigidité conformationnelle exceptionnelle de la proline affecte la structure secondaire des protéines à proximité d'un résidu de proline et peut expliquer la prévalence plus élevée de la proline dans les protéines des organismes thermophiles. La structure secondaire des protéines peut être décrite en termes d'angles dièdres , et du squelette protéique. La structure cyclique de la chaîne latérale de la proline verrouille l'angle à environ -65°. [16]

La proline agit comme un perturbateur structurel au milieu des éléments de structure secondaires réguliers tels que les hélices alpha et les feuilles bêta. Cependant, la proline se trouve généralement comme premier résidu d'une hélice alpha et également dans les brins de bord des feuilles bêta. La proline se trouve également couramment dans les virages (un autre type de structure secondaire) et aide à la formation de virages bêta. Cela peut expliquer le fait curieux que la proline est généralement exposée au solvant, bien qu'elle ait une chaîne latérale complètement aliphatique.

Plusieurs prolines et/ou hydroxyprolines d'affilée peuvent créer une hélice de polyproline, la structure secondaire prédominante du collagène. L'hydroxylation de la proline par la prolyl hydroxylase (ou d'autres ajouts de substituants électroattracteurs tels que le fluor) augmente considérablement la stabilité conformationnelle du collagène. [17] Par conséquent, l'hydroxylation de la proline est un processus biochimique critique pour le maintien du tissu conjonctif des organismes supérieurs. Des maladies graves telles que le scorbut peuvent résulter de défauts de cette hydroxylation, par exemple, des mutations de l'enzyme prolyl hydroxylase ou un manque du cofacteur ascorbate (vitamine C) nécessaire.

Le peptide se lie à la proline et à d'autres N-les acides aminés substitués (tels que la sarcosine), sont capables de peupler à la fois le cis et trans isomères. La plupart des liaisons peptidiques adoptent massivement le trans isomère (généralement 99,9 % dans des conditions sans contrainte), principalement parce que l'hydrogène de l'amide (trans isomère) offre moins de répulsion stérique au C précédent?? atome que le C suivant?? atome (cis isomère). En revanche, le cis et trans les isomères de la liaison peptidique X-Pro (où X représente n'importe quel acide aminé) subissent tous deux des conflits stériques avec la substitution voisine et ont une différence d'énergie beaucoup plus faible. Par conséquent, la fraction des liaisons peptidiques X-Pro dans le cis isomère dans des conditions sans contrainte est significativement élevé, avec cis fractions typiquement comprises entre 3 et 10 %. [18] Cependant, ces valeurs dépendent de l'acide aminé précédent, les résidus Gly [19] et aromatiques [20] donnant des fractions accrues de la cis isomère. cis des fractions jusqu'à 40 % ont été identifiées pour les liaisons peptidiques Aromatic-Pro. [21]

D'un point de vue cinétique, cis-trans l'isomérisation de la proline est un processus très lent qui peut entraver la progression du repliement de la protéine en piégeant un ou plusieurs résidus de proline cruciaux pour le repliement de l'isomère non natif, en particulier lorsque la protéine native nécessite la cis isomère. En effet, les résidus de proline sont exclusivement synthétisés dans le ribosome en tant que trans forme isomère. Tous les organismes possèdent des enzymes prolyl isomérases pour catalyser cette isomérisation, et certaines bactéries ont des prolyl isomérases spécialisées associées au ribosome. Cependant, toutes les prolines ne sont pas essentielles pour le repliement, et le repliement des protéines peut se dérouler à un rythme normal malgré le fait qu'il existe des conformères non natifs de nombreuses liaisons peptidiques X-Pro.

La proline et ses dérivés sont souvent utilisés comme catalyseurs asymétriques dans les réactions d'organocatalyse de la proline. La réduction de CBS et la condensation d'aldol catalysée par la proline en sont des exemples marquants.

En brassage, les protéines riches en proline se combinent avec les polyphénols pour produire un trouble (turbidité). [22]

L-La proline est un osmoprotecteur et est donc utilisée dans de nombreuses applications pharmaceutiques et biotechnologiques.

Le milieu de croissance utilisé dans la culture de tissus végétaux peut être complété par de la proline. Cela peut augmenter la croissance, peut-être parce que cela aide la plante à tolérer les stress de la culture tissulaire. [23] [ meilleure source nécessaire ] Pour le rôle de la proline dans la réponse au stress des plantes, voir § Activité biologique.

La proline est l'un des deux acides aminés qui ne suivent pas le tracé typique de Ramachandran, avec la glycine. En raison de la formation d'anneaux liés au carbone bêta, les angles et autour de la liaison peptidique ont moins de degrés de rotation admissibles. En conséquence, on le trouve souvent dans les "tours" des protéines car son entropie libre (ΔS) n'est pas aussi grande que les autres acides aminés et donc sous une forme repliée par rapport à une forme dépliée, le changement d'entropie est plus petit. De plus, la proline est rarement trouvée dans les structures et car elle réduirait la stabilité de telles structures, car sa chaîne latérale α-N ne peut former qu'une seule liaison azote.

De plus, la proline est le seul acide aminé qui ne forme pas de couleur rouge/violet lorsqu'il est développé par pulvérisation de ninhydrine pour une utilisation en chromatographie. La proline, à la place, produit une couleur orange/jaune.

Plusieurs études évolutives indépendantes utilisant différents types de données ont suggéré que la proline appartient à un groupe d'acides aminés qui constituaient le premier code génétique. [25] [26] [27] [28] Par exemple, les régions de faible complexité (dans les protéines), qui peuvent ressembler aux proto-peptides du premier code génétique, sont fortement enrichies en proline. [28]


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Les 20 acides aminés que l'on trouve couramment dans les protéines sont reliés entre eux par des liaisons peptidiques. La séquence linéaire des acides aminés liés contient les informations nécessaires pour générer une molécule de protéine avec une forme tridimensionnelle unique. La complexité de la structure des protéines est mieux analysée en considérant la molécule en termes de quatre niveaux d'organisation : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire (Graphique 2.1). Un examen de ces hiérarchies de complexité croissante a révélé que certains éléments structuraux sont répétés dans une grande variété de protéines, suggérant qu'il existe des « règles » générales concernant la manière dont les protéines atteignent leur forme fonctionnelle native. Ces éléments structurels répétés vont de simples combinaisons d'hélices &alpha et de feuillets &bêta formant de petits motifs, au repliement complexe de domaines polypeptidiques de protéines multifonctionnelles (voir p. 19).

II. STRUCTURE PRIMAIRE DES PROTÉINES

La séquence d'acides aminés dans une protéine est appelée la structure primaire de la protéine. Il est important de comprendre la structure primaire des protéines car de nombreuses maladies génétiques entraînent des protéines avec des séquences d'acides aminés anormales, qui provoquent un repliement incorrect et une perte ou une altération de la fonction normale. Si les structures primaires des protéines normales et mutées sont connues, ces informations peuvent être utilisées pour diagnostiquer ou étudier la maladie.

A. Liaison peptidique

Dans les protéines, les acides aminés sont liés de manière covalente par des liaisons peptidiques, qui sont des liaisons amides entre le groupe &alpha-carboxyle d'un acide aminé et le groupe &alpha-amino d'un autre. Par exemple, la valine et l'alanine peuvent former le dipeptide valylalanine par la formation d'une liaison peptidique (Graphique 2.2). Les liaisons peptidiques résistent aux conditions qui dénaturent les protéines, comme le chauffage et les fortes concentrations d'urée (voir p. 20). Une exposition prolongée à un acide ou à une base forte à des températures élevées est nécessaire pour rompre ces liaisons de manière non enzymatique.

Graphique 2.1 Quatre hiérarchies de structure protéique.

1. Nommer le peptide : Par convention, l'extrémité aminée libre (N-terminale) de la chaîne peptidique est écrite à gauche et l'extrémité carboxyle libre (C-terminale) à droite. Par conséquent, toutes les séquences d'acides aminés sont lues de l'extrémité N- à l'extrémité C-terminale du peptide. Par exemple, dans Figure 2.2A, l'ordre des acides aminés est « valine, alanine ». La liaison de nombreux acides aminés par des liaisons peptidiques donne une chaîne non ramifiée appelée polypeptide. Chaque acide aminé composant dans un polypeptide est appelé un « résidu » car il s'agit de la partie de l'acide aminé restant après la perte des atomes d'eau lors de la formation de la liaison peptidique. Lorsqu'un polypeptide est nommé, tous les résidus d'acides aminés ont leurs suffixes (-ine, -an, -ic ou -ate) changés en -yl, à l'exception de l'acide aminé C-terminal. Par exemple, un tripeptide composé d'une valine N-terminale, d'une glycine et d'une leucine C-terminale est appelé valylglycylleucine.

2. Caractéristiques de la liaison peptidique : La liaison peptidique a un caractère de double liaison partielle, c'est-à-dire qu'elle est plus courte qu'une liaison simple et qu'elle est rigide et plane (Figure 2.2B). Cela empêche la libre rotation autour de la liaison entre le carbone carbonyle et l'azote de la liaison peptidique. Cependant, les liaisons entre les carbones &alpha et les groupes &alpha-amino ou &alpha-carboxyle peuvent être librement tournées (bien qu'elles soient limitées par la taille et le caractère des groupes R). Cela permet à la chaîne polypeptidique d'adopter une variété de configurations possibles. La liaison peptidique est presque toujours une liaison trans (au lieu de cis, voir Figure 2.2B), en grande partie à cause de l'interférence stérique des groupes R en position cis.

3. Polarité de la liaison peptidique : Comme toutes les liaisons amide, les groupes – C = O et – NH de la liaison peptidique ne sont pas chargés et n'acceptent ni ne libèrent de protons sur la plage de pH de 2 à 12. Ainsi, les groupes chargés présents dans les polypeptides sont constitués uniquement du groupe N-terminal (&alpha-amino), du groupe C-terminal (&alpha-carboxyle) et de tout groupe ionisé présent dans les chaînes latérales des acides aminés constitutifs. Les groupes – C=O et – NH de la liaison peptidique sont cependant polaires et sont impliqués dans les liaisons hydrogène (par exemple, dans les hélices &alpha et les feuillets &beta), comme décrit aux pages 16-17.

Graphique 2.2 A. Formation d'une liaison peptidique, montrant la structure du dipeptide valylalanine.
B. Caractéristiques de la liaison peptidique.

B. Détermination de la composition en acides aminés d'un polypeptide

La première étape pour déterminer la structure primaire d'un polypeptide consiste à identifier et quantifier ses acides aminés constitutifs. Un échantillon purifié du polypeptide à analyser est d'abord hydrolyse par un acide fort à 110°C pendant 24 heures. Ce traitement clive les liaisons peptidiques et libère les acides aminés individuels, qui peuvent être séparés par chromatographie d'échange de cations. Dans cette technique, un mélange d'acides aminés est appliqué à une colonne qui contient une résine à laquelle un groupe chargé négativement est étroitement lié. [Remarque : Si le groupe attaché est chargé positivement, la colonne devient une colonne échangeuse d'anions.] Les acides aminés se lient à la colonne avec différentes affinités, en fonction de leurs charges, de leur hydrophobie et d'autres caractéristiques. Chaque acide aminé est libéré séquentiellement de la colonne de chromatographie en éluant avec des solutions de force ionique et de pH croissants (Graphique 2.3). Les acides aminés séparés contenus dans l'éluat de la colonne sont quantifiés en les chauffant avec de la ninhydrine (un réactif qui forme un composé violet avec la plupart des acides aminés, de l'ammoniac et des amines). La quantité de chaque acide aminé est déterminée par spectrophotométrie en mesurant la quantité de lumière absorbée par le dérivé de ninhydrine. L'analyse décrite ci-dessus est effectuée à l'aide d'un analyseur d'acides aminés, une machine automatisée dont les composants sont décrits dans Graphique 2.3.

C. Séquençage du peptide à partir de son extrémité N-terminale

Le séquençage est un processus par étapes d'identification de l'acide aminé spécifique à chaque position de la chaîne peptidique, en commençant à l'extrémité N-terminale. Le phénylisothiocyanate, connu sous le nom de réactif d'Edman, est utilisé pour marquer le résidu amino-terminal dans des conditions légèrement alcalines (Graphique 2.4). Le dérivé de phénylthiohydantoïne (PTH) résultant introduit une instabilité dans la liaison peptidique N-terminale telle qu'elle peut être hydrolysée sans cliver les autres liaisons peptidiques. L'identité du dérivé d'acide aminé peut alors être déterminée. Le réactif d'Edman peut être appliqué à plusieurs reprises sur le peptide raccourci obtenu lors de chaque cycle précédent. Le processus est maintenant automatisé.

D. Clivage du polypeptide en fragments plus petits

De nombreux polypeptides ont une structure primaire composée de plus de 100 acides aminés. De telles molécules ne peuvent pas être séquencées directement de bout en bout. Cependant, ces grosses molécules peuvent être clivées à des sites spécifiques et les fragments résultants séquencés. En utilisant plus d'un agent de clivage (enzymes et/ou produits chimiques) sur des échantillons séparés du polypeptide purifié, des fragments chevauchants peuvent être générés qui permettent le bon ordre des fragments séquencés, fournissant ainsi une séquence complète d'acides aminés du grand polypeptide (Figure 2.5). Les enzymes qui hydrolysent les liaisons peptidiques sont appelées peptidases (protéases). [Noter: Exopeptidases coupés aux extrémités des protéines et sont divisés en aminopeptidases et carboxypeptidases. Carboxypeptidases sont utilisés pour déterminer l'acide aminé C-terminal. Endopeptidases se fendre dans une protéine.]

Graphique 2.3 Détermination de la composition en acides aminés d'un polypeptide à l'aide d'un analyseur d'acides aminés.

E. Détermination de la structure primaire d'une protéine par séquençage de l'ADN

La séquence de nucléotides dans une région codant pour une protéine de l'ADN spécifie la séquence d'acides aminés d'un polypeptide. Par conséquent, si la séquence de nucléotides peut être déterminée, il est possible, à partir de la connaissance du code génétique (voir p. 432), de traduire la séquence de nucléotides en la séquence d'acides aminés correspondante de ce polypeptide. Ce procédé indirect, bien qu'utilisé en routine pour obtenir les séquences d'acides aminés des protéines, a les limites de ne pas pouvoir prédire les positions des ponts disulfures dans la chaîne repliée et de ne pas identifier les acides aminés qui sont modifiés après leur incorporation dans le polypeptide. (modification post-traductionnelle, voir p. 443). Par conséquent, le séquençage direct des protéines est un outil extrêmement important pour déterminer le véritable caractère de la séquence primaire de nombreux polypeptides.

Graphique 2.4 Détermination du résidu amino (N)-terminal d'un polypeptide par dégradation d'Edman. PTH = phénylthiohydantoïne.

III. STRUCTURE SECONDAIRE DES PROTÉINES

Le squelette polypeptidique n'assume pas une structure tridimensionnelle aléatoire mais, à la place, forme généralement des arrangements réguliers d'acides aminés qui sont situés à proximité les uns des autres dans la séquence linéaire. Ces arrangements sont appelés la structure secondaire du polypeptide. L'hélice &alpha, la feuille &bêta et la courbe &bêta (tourbêta) sont des exemples de structures secondaires couramment rencontrées dans les protéines. [Remarque : L'hélice de collagène et de chaîne alpha, un autre exemple de structure secondaire, est discutée à la p. 45.]

Figure 2.5 Chevauchement de peptides produits par l'action de trypsine et le bromure de cyanogène.

Plusieurs hélices polypeptidiques différentes se trouvent dans la nature, mais l'hélice alpha est la plus courante. Il s'agit d'une structure en spirale, constituée d'un noyau de squelette polypeptidique enroulé et serré, avec les chaînes latérales des acides aminés composants s'étendant vers l'extérieur à partir de l'axe central pour éviter d'interférer stériquement les unes avec les autres (Graphique 2.6). Un groupe très diversifié de protéines contient des hélices &alpha. Par exemple, les kératines sont une famille de protéines fibreuses étroitement apparentées dont la structure est presque entièrement alpha-hélicoïdale. Ils sont un composant majeur des tissus tels que les cheveux et la peau, et leur rigidité est déterminée par le nombre de liaisons disulfure entre les chaînes polypeptidiques constitutives. Contrairement à la kératine, la myoglobine, dont la structure est également fortement alpha-hélicoïdale, est une molécule globulaire et flexible (voir p. 26).

Graphique 2.6 &alpha-Helix montrant le squelette peptidique.

1. Liaisons hydrogène : Une hélice alpha est stabilisée par une liaison hydrogène étendue entre les oxygènes carbonyle de la liaison peptidique et les hydrogènes amides qui font partie du squelette polypeptidique (voir Graphique 2.6). Les liaisons hydrogène s'étendent vers le haut et sont parallèles à la spirale de l'oxygène carbonyle d'une liaison peptidique au groupe - NH - d'une liaison peptidique quatre résidus en avant dans le polypeptide. Cela garantit que tous les composants de liaison peptidique, sauf le premier et le dernier, sont liés les uns aux autres par des liaisons hydrogène intrachaîne. Les liaisons hydrogène sont individuellement faibles, mais elles servent collectivement à stabiliser l'hélice.

2. Acides aminés par tour : Chaque tour d'une hélice &alpha contient 3,6 acides aminés. Ainsi, les résidus d'acides aminés espacés de trois ou quatre résidus dans la séquence primaire sont spatialement proches les uns des autres lorsqu'ils sont repliés dans l'hélice a.

3. Les acides aminés qui perturbent un &alpha-hélice : La proline perturbe une hélice &alpha parce que son groupe amino secondaire n'est pas géométriquement compatible avec la spirale à droite de l'hélice &alpha. Au lieu de cela, il insère un pli dans la chaîne, ce qui interfère avec la structure hélicoïdale lisse. Un grand nombre d'acides aminés chargés (par exemple, glutamate, aspartate, histidine, lysine et arginine) perturbent également l'hélice en formant des liaisons ioniques ou en se repoussant électrostatiquement. Enfin, les acides aminés avec des chaînes latérales volumineuses, tels que le tryptophane, ou les acides aminés, tels que la valine ou l'isoleucine, qui se ramifient au niveau du carbone & bêta (le premier carbone du groupe R, à côté du carbone alpha) peuvent interférer avec la formation de l'hélice &alpha s'ils sont présents en grand nombre.

Graphique 2.7 A. Structure d'une feuille &beta. B. Une feuille &bêta antiparallèle avec les brins &bêta représentés par de larges flèches. C. Une feuille & parallèle formée à partir d'une seule chaîne polypeptidique se repliant sur elle-même.

La feuille &beta est une autre forme de structure secondaire dans laquelle tous les composants de la liaison peptidique sont impliqués dans la liaison hydrogène (Figure 2.7A). Les surfaces des feuilles &bêta apparaissent « plissées », et ces structures sont donc souvent appelées feuilles plissés &bêta. When illustrations are made of protein structure, &beta-strands are often visualized as broad arrows (Figure 2.7B).

1. Comparison of a &beta-sheet and an &alpha-helix: Unlike the &alpha-helix, &beta-sheets are composed of two or more peptide chains (&beta-strands), or segments of polypeptide chains, which are almost fully extended. Note also that the hydrogen bonds are perpendicular to the polypeptide backbone in &beta-sheets (see Figure 2.7A).

2. Parallel and antiparallel sheets: A &beta-sheet can be formed from two or more separate polypeptide chains or segments of polypeptide chains that are arranged either antiparallel to each other (with the N-terminal and C-terminal ends of the &beta-strands alternating as shown in Figure 2.7B) or parallel to each other (with all the N-termini of the &beta-strands together as shown in Figure 2.7C). When the hydrogen bonds are formed between the polypeptide backbones of separate polypeptide chains, they are termed interchain bonds. A &beta-sheet can also be formed by a single polypeptide chain folding back on itself (see Figure 2.7C). In this case, the hydrogen bonds are intrachain bonds. In globular proteins, &beta-sheets always have a right-handed curl, or twist, when viewed along the polypeptide backbone. [Note: Twisted &beta-sheets often form the core of globular proteins.]

The &alpha-helix and &beta-sheet structures provide maximal hydrogen bonding for peptide bond components within the interior of polypeptides.

C. &beta-Bends (reverse turns, &beta-turns)

&beta-Bends reverse the direction of a polypeptide chain, helping it form a compact, globular shape. They are usually found on the surface of protein molecules and often include charged residues. [Note: &beta-Bends were given this name because they often connect successive strands of antiparallel &beta-sheets.] &beta-Bends are generally composed of four amino acids, one of which may be proline, the amino acid that causes a kink in the polypeptide chain. Glycine, the amino acid with the smallest R group, is also frequently found in &beta-bends. &beta-Bends are stabilized by the formation of hydrogen and ionic bonds.

Figure 2.8 Some common structural motifs involving &beta-helices and &beta-sheets. The names describe their schematic appearance.

D. Nonrepetitive secondary structure

Approximately one half of an average globular protein is organized into repetitive structures, such as the &alpha-helix and &beta-sheet. The remainder of the polypeptide chain is described as having a loop or coil conformation. These nonrepetitive secondary structures are not random, but rather simply have a less regular structure than those described above. [Note: The term “random coil” refers to the disordered structure obtained when proteins are denatured (see p. 20).]

E. Supersecondary structures (motifs)

Globular proteins are constructed by combining secondary structural elements (that is, &alpha-helices, &beta-sheets, and coils), producing specific geometric patterns or motifs. These form primarily the core (interior) region of the molecule. They are connected by loop regions (for example, &beta-bends) at the surface of the protein. Supersecondary structures are usually produced by the close packing of side chains from adjacent secondary structural elements. Thus, for example, &alpha-helices and &beta-sheets that are adjacent in the amino acid sequence are also usually (but not always) adjacent in the final, folded protein. Some of the more common motifs are illustrated in Figure 2.8.

Motifs may be associated with particular functions. Proteins that bind to DNA contain a limited number of motifs. The helix-loop-helix motif is an example found in a number of proteins that function as transcription factors (see p. 450).

Figure 2.9 Formation of a disulfide bond by the oxidation of two cysteine residues, producing one cystine residue.

IV. TERTIARY STRUCTURE OF GLOBULAR PROTEINS

The primary structure of a polypeptide chain determines its tertiary structure. “Tertiary” refers both to the folding of domains (the basic units of structure and function, see discussion below), and to the final arrangement of domains in the polypeptide. The structure of globular proteins in aqueous solution is compact, with a high density (close packing) of the atoms in the core of the molecule. Hydrophobic side chains are buried in the interior, whereas hydrophilic groups are generally found on the surface of the molecule.

Domains are the fundamental functional and three-dimensional structural units of polypeptides. Polypeptide chains that are greater than 200 amino acids in length generally consist of two or more domains. The core of a domain is built from combinations of supersecondary structural elements (motifs). Folding of the peptide chain within a domain usually occurs independently of folding in other domains. Therefore, each domain has the characteristics of a small, compact globular protein that is structurally independent of the other domains in the polypeptide chain.

Figure 2.10 Hydrophobic interactions between amino acids with nonpolar side chains.

B. Interactions stabilizing tertiary structure

The unique three-dimensional structure of each polypeptide is determined by its amino acid sequence. Interactions between the amino acid side chains guide the folding of the polypeptide to form a compact structure. The following four types of interactions cooperate in stabilizing the tertiary structures of globular proteins.

1. Disulfide bonds: A disulfide bond is a covalent linkage formed from the sulfhydryl group (–SH) of each of two cysteine residues to produce a cystine residue (Figure 2.9). The two cysteines may be separated from each other by many amino acids in the primary sequence of a polypeptide or may even be located on two different polypeptide chains. The folding of the polypeptide chain(s) brings the cysteine residues into proximity and permits covalent bonding of their side chains. A disulfide bond contributes to the stability of the three-dimensional shape of the protein molecule and prevents it from becoming denatured in the extracellular environment. For example, many disulfide bonds are found in proteins such as immunoglobulins that are secreted by cells.

2. Hydrophobic interactions: Amino acids with nonpolar side chains tend to be located in the interior of the polypeptide molecule, where they associate with other hydrophobic amino acids (Figure 2.10). In contrast, amino acids with polar or charged side chains tend to be located on the surface of the molecule in contact with the polar solvent. [Note: Recall that proteins located in nonpolar (lipid) environments, such as a membrane, exhibit the reverse arrangement (see Figure 1.4, p. 4).] In each case, a segregation of R groups occurs that is energetically most favorable.

3. Hydrogen bonds: Amino acid side chains containing oxygen- or nitrogen-bound hydrogen, such as in the alcohol groups of serine and threonine, can form hydrogen bonds with electron-rich atoms, such as the oxygen of a carboxyl group or carbonyl group of a peptide bond (Figure 2.11 see also Graphique 1.6, p. 4). Formation of hydrogen bonds between polar groups on the surface of proteins and the aqueous solvent enhances the solubility of the protein.

4. Ionic interactions: Negatively charged groups, such as the carboxylate group (– COO – ) in the side chain of aspartate or glutamate, can interact with positively charged groups such as the amino group (– NH3 + ) in the side chain of lysine (see Figure 2.11).

Figure 2.11 Interactions of side chains of amino acids through hydrogen bonds and ionic bonds (salt bridges).

C. Protein folding

Interactions between the side chains of amino acids determine how a long polypeptide chain folds into the intricate three-dimensional shape of the functional protein. Protein folding, which occurs within the cell in seconds to minutes, involves nonrandom, ordered pathways. As a peptide folds, secondary structures form driven by the hydrophobic effect (that is, hydrophobic groups come together as water is released). These small structures combine to form larger structures. Additional events stabilize secondary structure and initiate formation of tertiary structure. In the last stage, the peptide achieves its fully folded, native (functional) form characterized by a low-energy state (Figure 2.12). [Note: Some biologically active proteins or segments thereof lack a stable tertiary structure. They are referred to as “intrinsically disordered” proteins.]

D. Denaturation of proteins

Protein denaturation results in the unfolding and disorganization of a protein’s secondary and tertiary structures without the hydrolysis of peptide bonds. Denaturing agents include heat, organic solvents, strong acids or bases, detergents, and ions of heavy metals such as lead. Denaturation may, under ideal conditions, be reversible, such that the protein refolds into its original native structure when the denaturing agent is removed. However, most proteins, once denatured, remain permanently disordered. Denatured proteins are often insoluble and precipitate from solution.

E. Role of chaperones in protein folding

The information needed for correct protein folding is contained in the primary structure of the polypeptide. However, most proteins when denatured do not resume their native conformations even under favorable environmental conditions. This is because, for many proteins, folding is a facilitated process that requires a specialized group of proteins, referred to as “molecular chaperones,” and adenosine triphosphate hydrolysis. The chaperones, also known as “heat shock proteins” (Hsp), interact with a polypeptide at various stages during the folding process. Some chaperones bind hydrophobic regions of an extended polypeptide and are important in keeping the protein unfolded until its synthesis is completed (for example, Hsp70). Others form cage-like macromolecular structures composed of two stacked rings. The partially folded protein enters the cage, binds the central cavity through hydrophobic interactions, folds, and is released (for example, mitochondrial Hsp60). [Note: Cage-like chaperones are sometimes referred to as “chaperonins.”] Chaperones, then, facilitate correct protein folding by binding to and stabilizing exposed, aggregation-prone hydrophobic regions in nascent (and denatured) polypeptides, preventing premature folding.

Figure 2.12 Steps in protein folding (simplified).

V. QUATERNARY STRUCTURE OF PROTEINS

Many proteins consist of a single polypeptide chain and are defined as monomeric proteins. However, others may consist of two or more polypeptide chains that may be structurally identical or totally unrelated. The arrangement of these polypeptide subunits is called the quaternary structure of the protein. Subunits are held together primarily by noncovalent interactions (for example, hydrogen bonds, ionic bonds, and hydrophobic interactions). Subunits may either function independently of each other or may work cooperatively, as in hemoglobin, in which the binding of oxygen to one subunit of the tetramer increases the affinity of the other subunits for oxygen (see p. 29).

Isoforms are proteins that perform the same function but have different primary structures. They can arise from different genes or from tissue-specific processing of the product of a single gene. If the proteins function as enzymes, they are referred to as isozymes (see p. 65).

VI. PROTEIN MISFOLDING

Protein folding is a complex process that can sometimes result in improperly folded molecules. These misfolded proteins are usually tagged and degraded within the cell (see p. 444). However, this quality control system is not perfect, and intracellular or extracellular aggregates of misfolded proteins can accumulate, particularly as individuals age. Deposits of misfolded proteins are associated with a number of diseases.

A. Amyloid diseases

Misfolding of proteins may occur spontaneously or be caused by a mutation in a particular gene, which then produces an altered protein. In addition, some apparently normal proteins can, after abnormal proteolytic cleavage, take on a unique conformational state that leads to the formation of long, fibrillar protein assemblies consisting of &beta-pleated sheets. Accumulation of these insoluble, spontaneously aggregating proteins, called amyloids, has been implicated in degenerative diseases such as Parkinson and Huntington and particularly in the age-related neurodegenerative disorder, Alzheimer disease. The dominant component of the amyloid plaque that accumulates in Alzheimer disease is amyloid &beta (A&beta), an extracellular peptide containing 40–42 amino acid residues. X-ray crystallography and infrared spectroscopy demonstrate a characteristic &beta-pleated sheet conformation in nonbranching fibrils. This peptide, when aggregated in a &beta-pleated sheet configuration, is neurotoxic and is the central pathogenic event leading to the cognitive impairment characteristic of the disease. The A&beta that is deposited in the brain in Alzheimer disease is derived by enzymic cleavages (by secretases) from the larger amyloid precursor protein, a single transmembrane protein expressed on the cell surface in the brain and other tissues (Figure 2.13). The A&beta peptides aggregate, generating the amyloid that is found in the brain parenchyma and around blood vessels. Most cases of Alzheimer disease are not genetically based, although at least 5% of cases are familial. A second biologic factor involved in the development of Alzheimer disease is the accumulation of neurofibrillary tangles inside neurons. A key component of these tangled fibers is an abnormal form (hyperphosphorylated and insoluble) of the tau (&tau) protein, which, in its healthy version, helps in the assembly of the microtubular structure. The defective &tau appears to block the actions of its normal counterpart.

Figure 2.13 Formation of amyloid plaques found in Alzheimer disease (AD). [Note: Mutations to presenilin, the catalytic subunit of &gamma-secretase, are the most common cause of familial AD.]

B. Prion diseases

The prion protein (PrP) has been strongly implicated as the causative agent of transmissible spongiform encephalopathies (TSEs), including Creutzfeldt-Jakob disease in humans, scrapie in sheep, and bovine spongiform encephalopathy in cattle (popularly called “mad cow” disease). After an extensive series of purification procedures, scientists were surprised to find that the infectivity of the agent causing scrapie in sheep was associated with a single protein species that was not complexed with detectable nucleic acid. This infectious protein is designated PrP Sc (Sc = scrapie). It is highly resistant to proteolytic degradation and tends to form insoluble aggregates of fibrils, similar to the amyloid found in some other diseases of the brain. A noninfectious form of PrP C (C = cellular), encoded by the same gene as the infectious agent, is present in normal mammalian brains on the surface of neurons and glial cells. Thus, PrP C is a host protein. No primary structure differences or alternate posttranslational modifications have been found between the normal and the infectious forms of the protein. The key to becoming infectious apparently lies in changes in the three-dimensional conformation of PrP C . It has been observed that a number of &alpha-helices present in noninfectious PrP C are replaced by &beta-sheets in the infectious form (Figure 2.14). It is presumably this conformational difference that confers relative resistance to proteolytic degradation of infectious prions and permits them to be distinguished from the normal PrP C in infected tissue. The infective agent is, thus, an altered version of a normal protein, which acts as a “template” for converting the normal protein to the pathogenic conformation. The TSEs are invariably fatal, and no treatment is currently available that can alter this outcome.

Figure 2.14 One proposed mechanism for multiplication of infectious prion agents. PrP = prion protein PrP c = prion protein cellular PrP Sc = prion protein scrapie.

VII. RÉSUMÉ DU CHAPITRE

Central to understanding protein structure is the concept of the native conformation (Graphique 2.15), which is the functional, fully folded protein structure (for example, an active enzyme or structural protein). The unique three-dimensional structure of the native conformation is determined by its structure primaire, that is, its amino acid sequence. Interactions between the amino acid side chains guide the folding of the polypeptide chain to form secondaire, tertiaire, and (sometimes) quaternaire structures, which cooperate in stabilizing the native conformation of the protein. In addition, a specialized group of proteins named chaperons is required for the proper folding of many species of proteins. Protein denaturation results in the unfolding and disorganization of the protein’s structure, which are not accompanied by hydrolysis of peptide bonds. Denaturation may be reversible or, more commonly, irreversible. Disease can occur when an apparently normal protein assumes a conformation that is cytotoxic, as in the case of Alzheimer disease and the encéphalopathies spongiformes transmissibles (TSEs), including Creutzfeldt-Jakob disease. Dans Alzheimer disease, normal proteins, after abnormal chemical processing, take on a unique conformational state that leads to the formation of neurotoxic amyloid &beta peptide (A&beta) assemblies consisting of &beta-pleated sheets. In TSEs, the infective agent is an altered version of a normal prion protein that acts as a “template” for converting normal protein to the pathogenic conformation.

Graphique 2.15 Key concept map for protein structure.

Questions d'étude

Choose the ONE best answer.

2.1 Which one of the following statements concerning protein structure is correct?

A. Proteins consisting of one polypeptide have quaternary structure that is stabilized by covalent bonds.

B. The peptide bonds that link amino acids in a protein most commonly occur in the cis configuration.

C. The formation of a disulfide bond in a protein requires the participating cysteine residues to be adjacent in the primary structure.

D. The denaturation of proteins leads to irreversible loss of secondary structural elements such as the &alpha-helix.

E. The primary driving force for protein folding is the hydrophobic effect.

Correct answer = E. The hydrophobic effect, or the tendency of nonpolar entities to associate in a polar environment, is the driving force of protein folding. Quaternary structure requires more than one polypeptide, and, when present, it is stabilized primarily by noncovalent bonds. The peptide bond is almost always trans. The two cysteine residues participating in disulfide bond formation may be a great distance apart in the amino acid sequence of a polypeptide (or on two separate polypeptides) but are brought into close proximity by the three-dimensional folding of the polypeptide. Denaturation may be reversible or irreversible.

2.2 A particular point mutation results in disruption of the &alpha-helical structure in a segment of the mutant protein. The most likely change in the primary structure of the mutant protein is:

Correct answer = C. Proline, because of its secondary amino group, is incompatible with an &alpha-helix. Glutamate, aspartate, lysine, and arginine are charged amino acids, and valine is a branched amino acid. Charged and branched (bulky) amino acids may disrupt an &alpha-helix.

2.3 In comparing the &alpha-helix to the &beta-sheet, which statement is correct only for the &beta-sheet?

A. Extensive hydrogen bonds between the carbonyl oxygen (C=O) and the amide hydrogen (N-H) of the peptide bond are formed.

B. It may be found in typical globular proteins.

C. It is stabilized by interchain hydrogen bonds.

D. it is an example of secondary structure.

E. It may be found in supersecondary structures.

Correct answer = C. The &beta-sheet is stabilized by interchain hydrogen bonds formed between separate polypeptide chains and by intrachain hydrogen bonds formed between regions of a single polypeptide. The &alpha-helix, however, is stabilized only by intrachain hydrogen bonds. Statements A, B, D, and E are true for both of these secondary structural elements.

2.4 An 80-year-old man presented with impairment of higher intellectual function and alterations in mood and behavior. His family reported progressive disorientation and memory loss over the last 6 months. There is no family history of dementia. The patient was tentatively diagnosed with Alzheimer disease. Which one of the following best describes Alzheimer disease?

A. It is associated with &beta-amyloid, an abnormal protein with an altered amino acid sequence.

B. It results from accumulation of denatured proteins that have random conformations.

C. It is associated with the accumulation of amyloid precursor protein.

D. It is associated with the deposition of neurotoxic amyloid &beta peptide aggregates.

E. It is an environmentally produced disease not influenced by the genetics of the individual.

F. It is caused by the infectious &beta-sheet form of a host-cell protein.

Correct answer = D. Alzheimer disease is associated with long, fibrillar protein assemblies consisting of &beta-pleated sheets found in the brain and elsewhere. The disease is associated with abnormal processing of a normal protein. The accumulated altered protein occurs in a &beta-pleated sheet configuration that is neurotoxic. The amyloid &beta that is deposited in the brain in Alzheimer disease is derived by proteolytic cleavages from the larger amyloid precursor protein, a single transmembrane protein expressed on the cell surface in the brain and other tissues. Most cases of Alzheimer disease are sporadic, although at least 5% of cases are familial. Prion diseases, such as Creutzfeldt-Jakob, are caused by the infectious &beta-sheet form (PrP Sc ) of a host-cell protein (PrP c ).

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Overview of Protein Structure

The spatial arrangement of atoms in a protein is called a conformation. The term conformation refers to a structural state that can, without breaking any covalent bonds, interconvert with other structural states. A change in conformation could occur, for example, by rotation about single bonds. Of the innumerable conformations that are theoretically possible in a protein containing hundreds of single bonds, one generally predominates. This is usually the conformation that is thermodynamically the most stable, having the lowest Gibbs' free energy (G). Proteins in their functional conformation are called native proteins.

What principles determine the most stable conformation of a protein? Although protein structures can seem hopelessly complex, close inspection reveals recurring structural patterns. The patterns involve different levels of structural complexity, and we now turn to a biochemical convention that serves as a framework for much of what follows in this chapter.

There Are Four Levels of Architecture in Proteins

Figure 7-2 Levels of structure in proteins. The primary structure consists of a sequence of amino acids linked together by covalent peptide bonds, and includes any disulfide bonds. The resulting polypeptide can be coiled into an a helix, one form of secondary structure. The helix is a part of the tertiary structure of the folded polypeptide, which is itself one of the subunits that make up the quaternary structure of the multimeric protein, in this case hemoglobin.

Conceptually, protein structure can be considered at four levels (Fig. 7-2). Primary structure includes all the covalent bonds between amino acids and is normally defined by the sequence of peptide-bonded amino acids and locations of disulfide bonds. The relative spatial arrangement of the linked amino acids is unspecified.

Polypeptide chains are not free to take up any three-dimensional structure at random. Steric constraints and many weak interactions stipulate that some arrangements will be more stable than others. Secondary structure refers to regular, recurring arrangements in space of adjacent amino acid residues in a polypeptide chain. There are a few common types of secondary structure, the most prominent being the a helix and the β conformation. Tertiary structure refers to the spatial relationship among all amino acids in a polypeptide it is the complete three-dimensional structure of the polypeptide. The boundary between secondary and tertiary structure is not always clear. Several different types of secondary structure are often found within the three-dimensional structure of a large protein. Proteins with several polypeptide chains have one more level of structure: quaternary structure, which refers to the spatial relationship of the polypeptides, or subunits, within the protein.

Figure 7-3 The different structural domains in the polypeptide troponin C, a calcium-binding protein associated with muscle. The separate calciumbinding domains, indicated in blue and purple, are connected by a long a helix, shown in white.

A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions

The native conformation of a protein is only marginally stable the difference in free energy between the folded and unfolded states in typical proteins under physiological conditions is in the range of only 20 to 65 kJ/mol. A given polypeptide chain can theoretically assume countless different conformations, and as a result the unfolded state of a protein is characterized by a high degree of conformational entropy. This entropy, and the hydrogen-bonding interactions of many groups in the polypeptide chain with solvent (water), tend to maintain the unfolded state. The chemical interactions that counteract these effects and stabilize the native conformation include disulfide bonds and the weak (noncovalent) interactions described in Chapter 4: hydrogen bonds, and hydrophobic, ionic, and van der Waals interactions. An appreciation of the role of these weak interactions is especially important to understanding how polypeptide chains fold into specific secondary, tertiary, and quaternary structures.

Every time a bond is formed between two atoms, some free energy is released in the form of heat or entropy. In other words, the formation of bonds is accompanied by a favorable (negative) change in free energy. The ΔG for covalent bond formation is generally in the range of -200 to -460 kJ/mol. For weak interactions, ΔG = -4 to -30 kJ/mol. Although covalent bonds are clearly much stronger, weak interactions predominate as a stabilizing force in protein structure because of their number. In general, the protein conformation with the lowest free energy (i.e., the most stable) is the one with the maximum number of weak interactions.

The stability of a protein is not simply the sum of the free energies of formation of the many weak interactions within it, however. We have already noted that the stability of proteins is marginal. Every hydrogen-bonding group in a polypeptide chain was hydrogen bonded to water prior to folding. For every hydrogen bond formed in a protein, hydrogen bonds (of similar strength) between the same groups and water were broken. The net stability contributed by a given weak interaction, or the difference in free energies of the folded and unfolded state, is close to zero. We must therefore explain why the native conformation of a protein is favored. The contribution of weak interactions to protein stability can be understood in terms of the properties of water (Chapter 4). Pure water contains a network of hydrogen-bonded water molecules. No other molecule has the hydrogen-bonding potential of water, and other molecules present in an aqueous solution will disruptthe hydrogen bonding of water to some extent. Optimizing the hydrogen bonding of water around a hydrophobic molecule results in the formation of a highly structured shell or solvation layer of water in the immediate vicinity, resulting in an unfavorable decrease in the entropy of water. The association among hydrophobic or nonpolar groups results in a decrease in this structured solvation layer, or a favorable increase in entropy. As described in Chapter 4, this entropy term is the major thermodynamic driving force for the association of' hydrophobic groups in aqueous solution, and hydrophobic amino acid side chains therefore tend to be clustered in a protein's interior, away from water.

The formation of hydrogen bonds and ionic interactions in a protein is also driven largely by this same entropic effect. Polar groups can generally form hydrogen bonds with water and hence are soluble in water. However, the number of hydrogen bonds per unit mass is generally greater for pure water than for any other liquid or solution, and there are limits to the solubility of even the most polar molecules because of the net decrease in hydrogen bonding that occurs when they are present. Therefore, a solvation shell of structured water will also form to some extent around polar molecules. Even though the energy of formation of an intramolecular hydrogen bond or ionic interaction between two polar groups in a macromolecule is largely canceled out by the elimination of such interactions between the same groups and water, the release of structured water when the intramolecular interaction is formed provides an entropic driving force for folding. Most of the net change in free energy that occurs when weak interactions are formed within a protein is therefore derived from the increase in entropy in the surrounding aqueous solution.

Of the different types of weak interactions, hydrophobic interactions are particularly important in stabilizing a protein conformation the interior of a protein is generally a densely packed core of hydrophobic amino acid side chains. It is also important that any polar or charged groups in the protein interior have suitable partners for hydrogen bonding or ionic interactions. One hydrogen bond makes only a small apparent contribution to the stability of a native structure, but the presence of a single hydrogen-bonding group without a partner in the hydrophobic core of a protein can be so destabilizing that conformations containing such a group are often thermodynamically untenable.

Most of the structural patterns outlined in this chapter reflect these two simple rules: (1) hydrophobic residues must be buried in the protein interior and away from water, and (2) the number of hydrogen bonds must be maximized. Insoluble proteins and proteins within membranes (Chapter 10) follow somewhat different rules because of their function or their environment, but weak interactions are still critical structural elements.


Torsion Angles and the Ramachandran Plot

Définition
Two torsion angles in the polypeptide chain, also called Ramachandran angles (after the Indian physicist who worked on modeling the interactions in polypeptide chains, Ramachandran, GN, et al., J Mol Biol, 7:95-99 ) describe the rotations of the polypeptide backbone around the bonds between N-C&alpha (called Phi, &phi) and C&alpha-C (called Psi, &psi, see image for the graphics view of the angles).

A fragment of a polypeptide chain showing the torsion angles &phi and &psi as rounded arrows.
The angle (also called dihedral angle) is defined by 3 consecutive bonds involving 4 atoms. The angle describes the rotation of the chain around the middle bond. In proteins the two torsion angles &phi and &psi (also called Ramachandran angles) describe the rotation around N-C&alpha and C&alpha-C bonds, respectively.

The standard IUPAC definition of a dihedral angle is illustrated in the figure below. A, B, C and D illustrate the position of the 4 atoms used to define the dihedral angle. The rotation takes place around the central B-C bond. The view on the right is along the B-C bond with atom A placed at 12 o'clock. The rotation around the B-C bond is described by the A-B-D angle shown of the right image.

The range of the Phi & Psi Ramachandran angles accessible to a polypeptide chain defines the flexibility of the backbone and its ability to adopt a certain fold.
The third possible torsion angle within the protein backbone (called omega, &omega) describes the rotation at the peptide bond and is mostly flat and fixed to around 180 degrees. This is due to the partial double-bond character of the peptide bond, which restricts rotation around the C-N bond, placing two successive &alpha-carbons and C, O, N and H between them on one plane.

The Ramachandran plot
A special way for plotting protein torsion angles was introduced by Ramachandran and co-authors and since then is called the Ramachandran plot. The Ramachandran plot provides a way to view the distribution of torsion angles in a protein structure and shows that the torsion angles corresponding to the two major secondary structure elements (&alpha-helices and &beta-sheets) are clearly clustered within separate regions. The images below correspond to two different structures of the same protein. Each dot in the plot corresponds to an amino acid, with its &phi and &psi angles. On the left is a structure at low resolution and on the right is a high-resolution structure.

The Ramachandran plot shows the distribution of the torsion angles of a protein within certain regions.
The horizontal axis on the plot shows &phi values, while the vertical shows &psi values. Both horizontal and vertical axes start from -180 and extend to +180. The images also show that &phi and &psi angles of &alpha-helices and &beta-sheets are separated and occupy different regions of the plot (marked as &alpha and &beta).

Les Ramachandran plot and structure quality
The higher resolution of the X-ray data usually gives higher quality three-dimensional structure. From the plots it is easy to see that some regions contain many more dots than others. These are called allowed regions, and the corresponding angles are called allowed, or favorable angles (red and brown regions). Other regions are less favorable and are poorly populated in good-quality structures (yellow color). This is a result of steric hindrance &ndash certain rotations around the polypeptide chain will bring atoms too close to each other, creating steric repulsion. For this reason, Ramachandran plot serves as an important indicator of the quality of three-dimensional structures &ndash a good quality structure is expected to have all its torsion angles within the allowed regions of the plot (image on the right).

However, sometimes we may find amino acids with &ldquowrong&rdquo torsion angles for a good reason &ndash the strain (high energy) created in a structure by some residues within unfavorable angles may be used by the protein for certain purposes and may have functional significance ( Pal and Chakrabarti, 2002 ). Another exception from the principle of clustering around the &alpha- and &beta-regions is provided by glycine. Gly does not have a side chain, which allows high flexibility in the polypeptide chain, making otherwise forbidden rotation angles accessible. That is why glycine is often found in loop regions, where the polypeptide chain needs to make a sharp turn. As mentioned above, proline in contrast to glycine fixes the torsion angles at a certain value, very close to that of an extended &beta-strand.

Theoretically, the average phi and psi values for &alpha-helices and &beta-sheets are clustered around -57, -47 and -80, +150, respectively. However, for real experimental structures these values were found to be different. In a paper by Hovmöller et al., 2002 , download pdf , a detailed discussion of the fine structure of &phi- and &psi-angle distribution in the Ramachandran plot is presented (if asked for login on the page, just cancel and it will still work).