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Structures et fonctions des protéines et acides aminés

Title: URL Source: file://pdf.e416b36384d3f622b75b92a0df8fa10d/ Markdown Content: Pr. M. BOUABDELLAH 2me anne Pharmacie 2022 -2023 1 # Structure # des pro,des Pro,des : acides amins , pep;des, protines Protines: macromolcules cons;tues dune ou de plusieurs cha nes dacides amins Reprsentent plus de 50% du poids sec des cellules Rles biologiques importants et divers : +Structurale: collagne, membranes cellulaires, kra;ne +Mtabolique : enzymes +Transmissions de signaux : hormones, neurotransmeUeurs +Dfense immunitaire : An;corps +Transporteur : Albumine, Hmoglobine, Apoprotines... > 2 Les protines sont synth;ses sous forme de chaines linaires (structure primaires) Pour assurer leurs fonc;ons biologiques , certaines protines vont subir des modifica;ons post-traduc;onnelles, en structure secondaire, ter;aire ou quaternaire Lunit cons;tu;ve des protines sont les acides amins > 3 # Plan gnral ## Les acides amins ## Les pep;des ## Les protines > 4 # Les acides amins I-Donnes gnrales Dfini;on Rles biologiques II-Structures des AA III-Proprits physiques Isomrie et ac;vit op;que Absorp;on de la lumire Solubilit Classifica,ons des AA IV-Proprits et rac,ons chimiques caractrisant les AA Proprit ionique: Amphotrie ; pHi ; no;on de zwiUerion Rac;ons chimiques importantes V-Drivs des AA VI-Mthodes dtudes des AA > 5 I-Donnes gnrales > 1-Dfini,on Units structurales de base cons;tuant les protines Sur 300 acides amins (AA) rpertoris actuellement, seuls 20 AA dits standard intgrent la structure des protines: protinognes incorpors dans la chane polypep;dique des protines lors de la traduc;on de lARNm Les animaux suprieurs sont incapables de synth;ser la totalit de ces 20 aminoacides AA essen;els et AA non essen;els # Les acides amins (AA) > 6 I-Donnes gnrales 1-Dfini,on 8 AA doivent tre apports par lalimenta;on car non synth;ss par lhomme : Ces 8 AA sont dits essen;els : Leucine, Isoleucine, Lysine, Mthionine, Phnylalanine, Thronine, Tryptophane, Valine Certains AA, bien que synth;ss, le sont des vitesses trs lentes considrs comme essen;els chez le nouveau-n ou lenfant : Arginine, His;dine # Les acides amins (AA) > 7 # Les acides amins I-Donnes gnrales les autres AA sont dits non protinognes *soit ltat libre : ornithine , citrulline , intervenant dans l urognse *soit dans des pe;ts pep;des synth;ss par des micro-organismes ou des vgtaux > 8 # Les acides amins I-Donnes gnrales 2-Rles biologiques structural Monomres des protines ; leur nature, lordre dans lequel ils senchanent, leurs rapports spa;aux mutuels sont les dterminants de la structure et de la fonc;on des protines nerg,que Au niveau de la cellule, ils peuvent fournir de lnergie comme le glucose ou les acides gras mtabolique Prcurseurs de molcules dintrt biologique : synthse de lhistamine ou de base s azotes fonc,onnel Proprits biologiques : glutamate, glycine neurotransmeUeurs 9Les acides amins II-Structure des acides amins Les acides amins ( amino acids ) : molcules organiques qui possdent : -une fonc;on carboxylique : COOH -une fonc;on amine primaire : NH 2 > 10 # Les acides amins II-Structure des acides amins Fonc;ons portes par un mme atome de carbone : atome de carbone (ou C-2 par rapport au C-1 de la fonc;on carboxylique ) Ce sont des acides -amins Ils diffrent par la nature de la chane latrale dite radical : R Les AA sont sexus!!! Le ou La ? 11 1-Les acides amins chane latrale alipha,que *La Glycine = Le Glycoco ll e = Gly = G -le plus pe;t AA - AA sans carbone asymtrique -confre de la flexibilit aux protines (ex: collagne, las;ne) -rle de dtoxifiant, neurotransmeUeur # Les acides amins II-Structure des acides amins > 12 *La Valine = Val = V (acide amin essen-el) 1-Les acides amins chane latrale alipha,que *L Alanine = Ala =A > 13 1-Les acides amins chane latrale alipha,que *La Leucine = Leu = L (acide amin essen-el) *L (Une) Isoleucine = Ile = J (acide amin essen-el) > 14 2-Les acides amins chane latrale aroma,que *La Phnylalanine = Ph = F (acide amin essen-el) NB: Ph catabolis en Tyrosine par la Phnylalanine hydroxylase > Acido -aminopathie : phnylctonurie Dficit gn;que en > Phnylalanine hydroxylase : - apparait ds lenfance - se caractrise par un retard mental 15 2-Les acides amins chane latrale aroma,que *La Tyrosine = Tyr = Y *Le Tryptophane = Trp = W (acide amin essen-el) NB: Dficit enzyma;que Tyrosinmie (I) congnitale qui se caractrise par une aUeinte hpatornale > 16 > Noyau indole 3-Acides amins fonc,on alcool *La Srine = Ser = S *La Thronine = Thr = T (acide amin essen-el) > 17 4-Les acides amins dicarboxyliques et leur s amide s *L (Un) Acide aspar,que = Asp = D (prsence du 2 me carboxyle en ) *L (Une) Asparagine = Asn = N (forme amide de l aspartate ) > 18 4-Les acides amins dicarboxyliques et leur s amide s *L (Un) Acide Glutamique = Glu = E (prsence du 2 me carboxyle en ) *La (Une) Glutamine = Gln = Q (forme amide du glutamate) > 19 5-Acides amins dibasiques *La Lysine = Lys = K (acide amin essen-el ) *L (Une) Arginine = Arg = R > 20 > Guanidium 5-Acides amins dibasiques *L (Une) His,dine = His =H > 21 > Noyau imidazole 6-Acides amins soufrs *La Cysteine = Cys = C *La Mthionine = Met = M (acide amin essen-el) CH3 -S-CH3 : Thio -ther S-adnosyl mthionine est un donneur de mthyle > 22 7-Acide amin secondaire *La Proline = Pro = P -confre de la rigidit (coude) la protine -hydroxyproline : cons;tuant majeur du collagne > 23 # Les acides amins III-Proprits physiques 1-Isomrie et ac;vit op;que 2-Absorp;on de la lumire 3-Solubilit > 24 # Les acides amins III-Proprits physiques 1-Isomrie et ac,vit op,que Latome de carbone des AA est asymtriquement subs;tu (sauf la glycine) 4 atomes ou groupement s datomes diffrents : > -H > -NH 2 > -COOH > -R (une chane latrale) > * > 25 # Les acides amins III-Proprits physiques 1-Isomrie et ac,vit op,que Du point de vue structural, ce carbone est au centre dun ttradre dont les sommets sont occups par des subs;tuants diffrents Latome de carbone est un centre chiral (du grec kheir ) > * > 26 # Les acides amins 1-Isomrie Chiralit Stroisomrie 1 Carbone asymtrique C* 2 stroisomres possibles Si les 2 stroisomres sont images lun de lautre par rapport un axe de symtrie (plan du miroir) et non superposables ce sont des nan;omres > 27 # Les acides amins 1-Isomrie Nomenclature des stroisom res Mme AA en formule dveloppe Pour dis;nguer les 2 stroisomres , on adopte les conven,ons suivantes : -On se rfre au glycradehyde comportant un C* > 28 Si le groupement OH est droite : la molcule est dite D Si le groupement OH est gauche : la molcule est dite LLes acides amins Stroisomrie et nomenclature D et L avec la projec;on de Fischer Les atomes unis latome de carbone asymtrique par des liaisons horizontales sont en avant de la page Les atomes qui sont unis par des liaisons ver;cales sont en arrire de la page > 29 # Les acides amins Stroisomrie et nomenclature D et L par analogie au glycradhyde , avec la projec;on de Fischer > 30 Si le grpt NH 2 se situe droite les AA sont dits D Si le grpt NH 2 se situe gauche les AA sont dits L Les acides amins 1- Isomrie et ac,vit op,que (d) et ( l ) 2 nan;omres possdent les mmes proprits physiques et chimiques seule diffre leur proprit op;que de dvier la lumire polarise: ils sont dits isomres op;ques un , dvie le plan de polarisa;on droite: il est dextrogyre , (+) ou (d) lautre le dvie gauche: il est lvogyre , (-) ou ( l ) > 31 # Les acides amins 1- Isomrie et ac,vit op,que (d) et ( l ) nan;omres et isomres op;ques Lappartenance dun AA la srie D ou L, ne prjuge pas de son pouvoir rotatoire (d) ou ( l ) Seuls les L-acides amins sont prsents ltat naturel et la plupart des AA sont dextrogyres (d) > Mlange racmique : (d) L 32 Proprit u;lise pour le dosage des pep;des et des protines # Les acides amins > 33 III-Proprits physiques 2-Absorp,on de la lumire les AA aroma;ques absorbent dans l UV > Spectre dabsorp,on des AA aroma,ques # Les acides amins III-Proprits physiques 3-Solubilit Entre hydrophilie et hydrophobie des AA La solubilit des AA dans leau dcoule de la structure de la chane latrale ou radical R augmente avec la prsence de groupements polaires supplmentaires sur la chaine latrale diminue avec la longueur de la chaine latrale la solubilit dans les solvants organiques est faible > 34 # Les acides amins Tableau: Hydrophobicit relative des AA selon leur radical R Colonne A: chelle de Sweet & Eisenberg (1983) Colonne B: chelle de Weiss et al. (1982) > 35 # Les acides amins Solubilit: hydrophilie et hydrophobie + AA chane latrale polaire charge (reprsents pH6) AA acide s AA basique s > 36 # Les acides amins Solubilit: hydrophilie et hydrophobie + AA chane latrale polaire non charge (rep rsents pH6) > 37 # Les acides amins Solubilit: hydrophilie et hydrophobie + AA chane latrale non polaire (reprsents pH6) > 38 # Les acides amins Classifica,ons des AA: de la structure aux proprits physiques Classifica,on selon la polarit de la charge de R ( pH neutre) > 39 Polarit du radical Acide amin Non polaire Gly , Ala , Val, Leu, Ile, Met, Trp , Ph , Pro Polaire non ionisable Ser , Thr , Tyr , Cys , Asn , Gln Polaire ionisable charg nga,vement Asp , Glu Polaire ionisable charg posi ,vement Lys, Arg , His Les acides amins Classifica,ons des AA: de la structure aux proprits physiques Classifica,ons selon la nature du radical R (structure ) > 40 Nature du radical Acide amin Alipha,que Gly , Ala , Val, Leu, Ile Hydroxyle Ser , Thr , Tyr Soufre Cys , Met Cyclique Pro Aroma,que Ph , Tyr , Trp Basique His , Lys, Arg Acide , amide Asp , Glu, Asn , Gln Les acides amins IV-Proprits et rac,ons chimiques caractrisant les AA 1-Proprits ioniques Formule gnrale des AA : En ralit, un AA ne se prsente jamais sous ceUe forme en solu;on aqueuse : Un AA possde 2 groupements ionisables (ou plus) 41 Les acides amins 1-Proprits ioniques a. Le caractre amphotre des AA A pH acide , lexcs dions H + va protoner le groupement amine de lAA lAA se comporte comme une base: forme ca;onique > 42 # Les acides amins 1-Proprits ioniques a. Le caractre amphotre des AA A pH alcalin , lexcs dions OH - va fixer le proton libr par le groupement acide carboxylique de lAA lAA se comporte comme un acide : forme anionique > 43 # Les acides amins 1-Proprits ioniques a. Le caractre amphotre des AA Amphotrie Capacit dun compos, mis en solu;on aqueuse, se comporter comme acide ou comme base en fonc;on du pH du milieu o il est . Selon le pH, les AA existent en solu;on aqueuse sous 3 formes possibles : > 44 # Les acides amins 1-Proprits ioniques b. Zwilerion et point isolectrique (pH i) -1 AA ( au moins 2 fonc;ons ionisables ) -2 rac;ons rversibles (2 K) -3 formes ioniques possibles > 45 # Les acides amins 1-Proprits ioniques b. Zwilerion et point isolectrique (pHi ) > 46 pH acide Forme majoritaire ca,onique pH alcalin Forme majoritaire anionique Les acides amins 1-Proprits ioniques b. Zwilerion et point isolectrique (pHi ) pHi ou point isolectrique : pH du milieu pour lequel la charge lectrique neUe de l AA est nulle : tout lAA est sous forme de zwitterion Le pHi est une caractristique propre chaque AA Chaque AA se caractrise par son pHi 47 pH acide Forme majoritaire ca,onique > pH neutre > pHi Forme majoritair e ionique dipolaire ou Zwitterion pH alcalin Forme majoritaire anionique b. Zwilerion et point isolectrique (pHi ) En rsum: la charge lectrique dun AA varie suivant le pH du milieu ( pHm ) dans lequel il se trouve: Si m.alc: pHm > pHi lAA sera charg nga,vement Si m. neutr : pHm = pHi la charge globale de lAA est nulle Si m. ac : pHm < pHi lAA sera charg posi,vement Amphotrie : Proprit u;lise pour sparer les AA ou les protines dun mlange par une des techniques de spara;on comme llectrophorse 48 Les acides amins b. Zwilerion et point isolectrique (pHi ) Le pHi est une caractri s,qu e de lAA Calcul du pHi Soit: K1 et K2 les constantes de dissocia,on K1 = [A][H]/[A] K2= [A][H]/[A] 49 Les acides amins b. Point isolectrique (pHi ) et zwilerion Calcul du pHi Au pHi , la charge nele de lespce molculaire en solu,on est nulle: [A] = [A] K1 = [A][H]/[A] [A] = [A][H]/K 1 K2= [A][H]/[A] [A] = K 2 [A]/[H] Alors: [A][H]/K 1 = K 2 [A]/[H] Donc : K1 x K 2 = [H] 2 Or : pH=-log [H] et pK =-log K Donc -2log [H +] = -log K 1 -log K 2 pHi =1/2 (pK 1 + pK 2) 50 Les acides amins b. Point isolectrique (pHi ) et zwilerion Rcapitula,f du calcul du pHi 1-Ecrire tous les quilibres ioniques successifs 2-Reprer la forme ionique correspondant au pHi : zwiUerion 3-Connaissant les pKa (pK 1 et pK 2) entourant ceUe forme ionique: pHi = moyenne des pKa entourant la forme neutre pHi =1/2 (pK 1 + pK 2) > 51 # Les acides amins c. Pourcentage de dissocia,on et courbe de neutralisa,on On reprsente la dissocia;on de la fonc;on COOH dun AA selon le pH > 52 # Les acides amins c. Pourcentage de dissocia,on et courbe de neutralisa,on On reprsente la dissocia;on de la fonc;on NH 3+ dun AA selon le pH > 53 # Les acides amins c. Pourcentage de dissocia,on et courbe de neutralisa,on On reprsente la dissocia;on des 2 fonc;ons dun AA selon le pH > 54 # Les acides amins c. Pourcentage de dissocia,on et courbe de neutralisa,on Tracer la courbe de ;tra;on dun AA par une base forte ( NaOH ) visualiser les frac;ons des diffrentes espces ioniques prsentes dans le milieu en fonc;on de lvolu;on du pH de ce milieu 55 Les acides amins c. Pourcentage de dissocia,on et courbe de neutralisa,on Pour dterminer le pKa et les pourcentages des formes ioniques un pH dtermin On u;lise lqua;on de Henderson-Hasselbalch pour la rac;on : Donneur de H+ Accepteur de H+ + H+ Ka Ka= [Accepteur de H +] x [H +] /[Donneur de H +] pH = pKa + log [Accepteur de H +]/[Donneur de H +] base Acide pH= pka pH de demi -dissociation log [Accepteur de H +]/[Donneur de H +]=0 [Accepteur de H +]=[Donneur de H +] = 50% 56 Les acides amins c. Pourcentage de dissocia,on et courbe de neutralisa,on Pour dterminer pKa ou des pourcentages des formes ioniques (%) un pH dtermin On u;lise lqua;on de Henderson-Hasselbalch pour la rac;on : Donneur de H+ Accepteur de H+ + H+ Ka Ka= [Accepteur de H +] x [H +] /[Donneur de H +] pH = pKa + log [Accepteur de H +]/[Donneur de H +] base Acide pH= pka pH de demi -dissociation log [Accepteur de H +]/[Donneur de H +]=0 [Accepteur de H +]=[Donneur de H +] = 50% 57 Courbe thorique de neutralisa,on de la glycine par NaOH Prvoir les frac,ons des diffrentes formes ioniques en prsence un pH donn On u,lise les caractris,ques de lAA: -pKa1 -pKa2 -pHi > 58 Courbe thorique de neutralisa,on de la glycine par NaOH > 59 # Les acides amins IV-Proprits et rac,ons chimiques caractrisant les AA 2-Rac,ons chimiques importantes caractrisant les AA A-Rac;ons impliquant le groupement carboxyle COOH B-Rac;ons impliquant le groupement amin NH 2 C-Rac;ons impliquant le groupement latral R > 60 # Les acides amins IV-Proprits et rac,ons chimiques caractrisant les AA 2-Rac,ons chimiques importantes caractrisant les AA A-Rac;ons impliquant le groupement carboxyle COOH Rac-on de rduc-on par le borohydrure de lithium Rac-on de dcarboxyla-on > 61 # Les acides amins Rac&on de rduc&on par le borohydrure de lithium > (in vitro ) Borohydrure de lithium On ob;ent la forma;on dun alcool amin > 62 Rac&on de dcarboxyla&on > (in vivo ) > 63 Dcarboxyla;on de l his,dine en histamine scrte lors de rac;ons allergiques et inflammatoire s. Dcarboxyla;on de la srine en thanolamine prcurseur de la choline des phospholipides. Dcarboxyla;on du glutamate en acide gamma amino -butyrique (GABA) neurotransmeUeur impliqu dans les crises pilepsies Les acides amins IV-Proprits et rac,ons chimiques caractrisant les AA 2-Rac,ons chimiques importantes caractrisant les AA B-Rac;ons impliquant le groupement amin NH 2 Rac-on avec le formol Rac-on de synthse dune base de Schiff Rac-on avec la ninhydrine Rac-on de carbamyla-on (Rac-on dEDMAN) Rac-on de dansyla-on Rac-on daryla-on (Mthode de SANGER) Rac-on de dsamina-on Rac-on de conjugaison de la glycine 64 Rac&on avec le formol > (in vitro ) > 65 Rac;on qui permet de bloquer la fonc;on amine Le compos qui en rsulte conserve sa fonc;on acide dose facilement par une base en prsence dun indicateur color Cest la formol -;tra;on de Sorensen Rac&on de synthse dune base de Schiff avec un carbonyle > (in vitro ) > 66 Rac;on avec le 1,2 dialdhyde benznique une base de Schiff trs fluorescente. Un des procds les plus sensibles pour la dtec;on des acides amins 67 Rac;on colore permeUant de rvler la prsence des AA dans un milieu Si lAA est une proline ou une hydroxy-proline le complexe est de couleur jaune Rac&on avec la ninhydrine > (in vitro ) Carbamyla&on Edman (in vitro ) La rac;on des AA avec le Phnyliso Thio Cyanate (PTC) des composs PTC-AA facilement sparable s par chromatographie et absorbant dans lUV > 68 69 Carbamyla&on (suite) Permet liden;fica;on de lAA N terminal dun pep;de Dans le cas dun pep;de n AA, le compos PTC-pep;de form va subir une cyclisa;on au niveau d e l AA N-terminal qui permet de librer: -le PTH-AA N terminal et -le reste du pep;de (n 1) AA cest la mthode dEDMAN Dansyla&on > (in vitro ) La dansyla;on des AA des composs fluorescents facilement dtectables La dansyla;on (puis hydrolyse) dun pep;de permet la dtermina;on de son acide amin N terminal > 70 Dansyla&on (Engl ) > 71 La dansyla;on des AA des composs fluorescents facilement dtectables La dansyla;on (puis hydrolyse) dun pep;de permet la dtermina;on de son acide amin N terminal Aryla&on avec le Di nitro Fluoro Benzne (DNFB) > (in vitro ) Rac;on dun AA avec le DNFB DNP AA absorbe 360 nm Pour un pep;de , rac;on u ;lise (aprs hydrolyse) pour iden;fier lacide amin N terminal cest l a mthode de SANGER > 72 Rac&ons de dsamina&on > (in vivo ) > 73 Gnre nt des molcules du mtabolisme intermdiaire 74 Conjugaison un toxique > (in vivo ) La glycine permet dliminer des composs toxiques Ex: acide benzoque conservateur alimentaire E210 hyperac;vit, allergie ... potentiellement cancerigne La conjugaison la glycine par son groupement NH 2 amida;on de COOH limina;on par voie urinaire Les acides amins IV-Proprits et rac,ons chimiques caractrisant les AA 2-Rac,ons chimiques importantes caractrisant les AA C-Rac;ons impliquant le groupement latral R Rac-on de phosphoryla-on Rac-on de carboxyla-on de lac . glutamique Rac-on dhydroxyla-on > 75 Rac&on de phosphoryla&on > (in vivo ) Fixa;on dun acide phosphorique (H 3PO 4) possible sur le groupement OH dun AA Forma;on d ester phosphorique - une srine (souvent) - une thronine - une tyrosine > 76 77 Rac&on de phosphoryla&on > (in vivo ) La phosphoryla;on des AA (donc des protines) la rgula;on de leur ac;vit : ON /OFF Une phosphoryla;on peut ac;v er une protine Une phosphoryla;on peut inhiber une protine Mcanisme essen;el dans la rgula;on de lac;vit enzyma;que Rac&on de carboxyla&on > (in vivo ) CeUe modifica;on post-traduc;onnelle survient sur des rsidus glutamate de protines ac;va;on des protines de la coagula;on matura;on des protines de lossifica;on > 78 Rac&on de lhydroxyla&on > (in vivo ) CeUe transforma;on touche la proline et la lysine Pro hydroxyproline : cons;tuant essen;el du collagne Lys hydroxylysine : cons;tuant essen;el du collagne Lhydroxyla;on protge les protines de lac;on catabolique des protases 79 V-Drivs des AA 1-Cra,ne forme par;r de la Gly , Arg et S-adnosyl mthionine La cra;ne phosphate est une rserve nerg;que du muscle stri > 80 # Les acides amins 2-Cra,nine Dchet mtabolique limin au niveau rnal Cratininmie (concentra;on sanguine de la cra;nine ) reflte ltat de la fonc;on rnale Augmenta;on de sa concentra;on est un indicateur de laltra;on de la fonc;on rnale. 81 3-Neurotransmeleurs NeurotransmeUeurs du SNC et du SNA sympathique impliqus dans la douleur, la rgula;on du rythme circadien, le contrle de lagressivit La tyrosine Catcholamines > 82 83 3-Neurotransmeleurs Le tryptophane Srotonine 4-S-adnosylmthionine Agent donneur de groupement mthyle Il agit avec les transmthylases pour assurer la mthyla;on de lADN sur une cytosine ou une adnine dans le cadre de rgula;on de la transcrip;on > 84 VI-Mthodes dtude des acides amins Dtec;on de tous les AA par des rac;ons colores : p.e: ninhydrine Dosage des AA aroma;ques par photomtrie (absorbent dans l UV) Dosage par formol-;tra;on de Sorensen Electrophorse Chromatographie > 85 # Les acides amins 86 VI-Mthodes dtude des acides amins 1-Electrophorse Technique base sur la migra;on des AA sous leffet dun champs lectrique ( ddp ) Dans deux compar;ments dis;ncts: -Solu;on tampon (conducteur du courant) -Support imbib de ceUe solu;on ( pHm ) -Dpt d u mlange analyser -Applica;on dune ddp -Migra;on des AA selon le ur pHi -Schage -Rvla;on la ninhydrine VI-Mthodes dtude des acides amins 2-Chromatographie > 87 La phase mobile migre par capillarit le long de la phase sta;onnaire entrainant avec elle des vitesses diffrentes les diffrents AA du mlange analyser. 88 2-Chromatographie La plaque est re;re de la cuve, sche puis on lasperge dune solu;on rvlatrice (ninhydrine chaud) Les acides amins du mlange apparaissent diffrents endroits de la plaque 2-Chromatographie La plaque est re;re de la cuve, sche puis on lasperge dune solu;on rvlatrice (ninhydrine chaud) Les acides amins du mlange apparaissent diffrents endroits de la plaque 89 90 2-Chromatographie Dtermina;on du rapport frontal : Rf = a/s grandeur caractris;que pour chaque AA a : distance parcourue par lAA et s : distance parcourue par le solvant Iden;fica;on dAA par comparaison aux rapports frontaux dj connus