Exercices: Les protéines

Que sont les acides aminés et combien de types différents forment les protéines des êtres vivants ? Indiquer quels groupes chimiques sont communs à tous les acides aminés et lequel confère à chacun ses propriétés particulières.

Nommer quatre fonctions différentes des protéines chez les êtres vivants et donner un exemple précis de protéine pour chacune d'elles.

Qu'est-ce que la liaison peptidique ? Indiquer entre quels groupes chimiques des acides aminés elle se forme et quelle molécule est libérée lors de la réaction.

Observer le schéma des niveaux d'organisation des protéines, numérotés de 1 à 4. Nommer chaque niveau, décrire brièvement sa caractéristique principale et donner un exemple de protéine présentant le niveau 4.

L'hémoglobine perd sa forme tridimensionnelle si la température ou le pH s'éloignent trop de leurs valeurs normales. Comment appelle-t-on ce processus, quelles liaisons sont rompues et quelle conséquence cela a-t-il sur la fonction de la protéine ?

Qu'est-ce qu'une enzyme ? Expliquer comment elle parvient à accélérer une réaction chimique en faisant référence à l'énergie d'activation et au complexe enzyme-substrat.

L'hémoglobine fonctionnelle d'un adulte ($\text{HbA}$) est un hétérotétramère soluble. Dans la drépanocytose, la mutation ponctuelle du gène de la globine $\beta$ remplace un acide glutamique par une valine en position 6 de la chaîne polypeptidique ($\text{HbS}$), ce qui provoque la polymérisation de la désoxyhémoglobine en longues fibres insolubles qui déforment les érythrocytes.

1. a) À partir des propriétés chimiques des chaînes latérales des deux acides aminés, justifier pourquoi ce changement dans la structure primaire modifie la conformation et la solubilité de la protéine, et indiquer quel type d'interactions moléculaires faibles stabilisent ces fibres.
2. b) Lors d'un dépistage génétique, on détecte deux mutations alternatives au niveau de ce même codon 6 de la globine $\beta$ :

• Variante A : l'acide glutamique est remplacé par de l'acide aspartique ($\text{Glu6Asp}$).

• Variante B : l'acide glutamique est remplacé par de la leucine ($\text{Glu6Leu}$).

Prévoir en argumentant laquelle de ces deux variantes conservera une fonction biologique pratiquement identique à celle de la $\text{HbA}$ saine et laquelle provoquera une agrégation pathologique semblable à la drépanocytose.

Un patient souffrant de dénutrition sévère est admis aux urgences avec une faiblesse musculaire, une désorientation et une acidose lactique grave (symptômes compatibles avec le béribéri). Les analyses biochimiques montrent des concentrations plasmatiques élevées de pyruvate et de lactate, avec une chute marquée de l'ATP cellulaire alors que les taux de glucose sont normaux. L'administration urgente de thiamine (vitamine B1) fait disparaître les symptômes.

1. a) Sachant que la thiamine est le précurseur de la coenzyme pyrophosphate de thiamine (indispensable au complexe pyruvate déshydrogénase), expliquer ce qu'est une coenzyme et justifier sur le plan biochimique pourquoi son absence bloque la respiration cellulaire et déclenche la synthèse de lactate.
2. b) Si, avant d'administrer la vitamine, on avait perfusé au patient un soluté glucosé concentré pour « lui donner de l'énergie », son acidose se serait rapidement aggravée. Justifier cette affirmation à partir des voies du métabolisme des glucides.
3. c) Étant donné que les coenzymes ne sont pas consommées de façon stœchiométrique dans les réactions qu'elles catalysent (elles se régénèrent), expliquer pourquoi les humains ont besoin d'un apport continu de vitamines hydrosolubles dans l'alimentation plutôt que d'une dose unique dans leur vie.

Dans un laboratoire de biochimie, on étudie la stabilité thermique d'une enzyme humaine intracellulaire. Des aliquotes de l'enzyme sont incubées pendant 20 minutes à quatre températures différentes ($15\ \text{°C}$, $37\ \text{°C}$, $45\ \text{°C}$ et $70\ \text{°C}$). Ensuite, chaque échantillon est divisé en deux fractions :

• Fraction 1 : on mesure immédiatement sa vitesse catalytique à la température à laquelle elle a été incubée.

• Fraction 2 : on remet l'échantillon à $37\ \text{°C}$, on attend 15 minutes puis on mesure sa vitesse catalytique à $37\ \text{°C}$.

Les résultats montrent que la Fraction 1 a une activité optimale à $37\ \text{°C}$, très faible à $15\ \text{°C}$ et nulle à $70\ \text{°C}$. Dans la Fraction 2, l'échantillon prétraité à $15\ \text{°C}$ retrouve $100\ \%$ de son activité maximale, alors que celui prétraité à $70\ \text{°C}$ conserve une activité de $0\ \%$.

1. a) Interpréter au niveau moléculaire les résultats de la Fraction 2 pour les échantillons à $15\ \text{°C}$ et $70\ \text{°C}$, en distinguant l'énergie cinétique du système et la dénaturation protéique.
2. b) Prévoir comment varierait la courbe de la Fraction 1 si l'on utilisait une enzyme équivalente purifiée de la bactérie thermophile Thermus aquaticus ($T_{\text{optimale}} \approx 75\ \text{°C}$) et justifier quelles adaptations des liaisons de sa structure tertiaire lui permettent d'être fonctionnelle à cette température.