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Décrire la structure et la fonction des protéines

Les protéines sont des polymères d’acides aminés. Chaque acide aminé contient un carbone central, un hydrogène, un groupe carboxyle, un groupe amino et un groupe R variable. Le groupe R précise à quelle classe d’acides aminés il appartient : chaînes latérales hydrophiles chargées électriquement, chaînes latérales polaires mais non chargées, chaînes latérales hydrophobes non polaires, et cas particuliers.

Les protéines ont différentes « couches » de structure : primaire, secondaire, tertiaire, quaternaire.

Les protéines ont une variété de fonction dans les cellules. Les principales fonctions consistent à agir en tant qu’enzymes, récepteurs, molécules de transport, protéines régulatrices de l’expression des gènes, et ainsi de suite. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui accélèrent une réaction chimique sans être altérés de façon permanente. Elles possèdent des « sites actifs » où se fixe le substrat/réactif, et elles peuvent être activées ou inhibées (inhibiteurs compétitifs et/ou non compétitifs).

Acides aminés

Les protéines sont l’une des molécules organiques les plus abondantes dans les systèmes vivants et ont la gamme de fonctions la plus diversifiée de toutes les macromolécules. Les protéines peuvent être structurelles, régulatrices, contractiles ou protectrices ; elles peuvent servir au transport, au stockage ou aux membranes ; elles peuvent aussi être des toxines ou des enzymes. Chaque cellule d’un système vivant peut contenir des milliers de protéines, chacune ayant une fonction unique. Leurs structures, comme leurs fonctions, varient considérablement. Elles sont toutes, cependant, des polymères d’acides aminés, disposés selon une séquence linéaire.

Figure 1. Les acides aminés ont un carbone central asymétrique auquel sont attachés un groupe amino, un groupe carboxyle, un atome d’hydrogène et une chaîne latérale (groupe R).

Les acides aminés sont les monomères qui composent les protéines. Chaque acide aminé possède la même structure fondamentale, qui consiste en un atome de carbone central, également appelé carbone alpha (α), lié à un groupe amino (NH2), à un groupe carboxyle (COOH) et à un atome d’hydrogène. Chaque acide aminé possède également un autre atome ou groupe d’atomes lié à l’atome central connu sous le nom de groupe R (Figure 1).

Le nom « acide aminé » provient du fait qu’ils contiennent à la fois un groupe amino et un groupe acide carboxylique dans leur structure de base. Comme mentionné, il y a 20 acides aminés présents dans les protéines. Dix d’entre eux sont considérés comme des acides aminés essentiels chez l’homme car le corps humain ne peut pas les produire et ils sont obtenus à partir de l’alimentation.

Pour chaque acide aminé, le groupe R (ou chaîne latérale) est différent (figure 2).

Question pratique

Figure 2. Il existe 20 acides aminés communément trouvés dans les protéines, chacun avec un groupe R différent (groupe variant) qui détermine sa nature chimique.

Quelles catégories d’acides aminés vous attendriez-vous à trouver à la surface d’une protéine soluble, et lesquelles vous attendriez-vous à trouver à l’intérieur ? Quelle répartition des acides aminés vous attendriez-vous à trouver dans une protéine noyée dans une bicouche lipidique ?

Montrer la réponse

Les résidus d’acides aminés polaires et chargés (le reste après la formation de la liaison peptidique) sont plus susceptibles de se trouver à la surface des protéines solubles où ils peuvent interagir avec l’eau, et les non polaires (par exemple, les chaînes latérales des acides aminés) sont plus susceptibles de se trouver à l’intérieur où ils sont séquestrés de l’eau. Dans les protéines membranaires, les chaînes latérales d’acides aminés non polaires et hydrophobes s’associent aux queues hydrophobes des phospholipides, tandis que les chaînes latérales d’acides aminés polaires et chargées interagissent avec les groupes de tête polaires ou avec la solution aqueuse. Il existe toutefois des exceptions. Parfois, les chaînes latérales d’acides aminés chargées positivement et négativement interagissent entre elles à l’intérieur d’une protéine, et les chaînes latérales d’acides aminés polaires ou chargées qui interagissent avec un ligand peuvent se trouver dans la poche de liaison du ligand.

La nature chimique de la chaîne latérale détermine la nature de l’acide aminé (c’est-à-dire s’il est acide, basique, polaire ou non polaire). Par exemple, l’acide aminé glycine possède un atome d’hydrogène en tant que groupe R. Les acides aminés tels que la valine, la méthionine et l’alanine sont de nature non polaire ou hydrophobe, tandis que les acides aminés tels que la sérine, la thréonine et la cystéine sont polaires et ont des chaînes latérales hydrophiles. Les chaînes latérales de la lysine et de l’arginine sont chargées positivement, c’est pourquoi ces acides aminés sont également connus comme des acides aminés basiques. La proline possède un groupe R qui est lié au groupe amino, formant une structure annulaire. La proline est une exception à la structure standard d’un acide animo puisque son groupe amino n’est pas séparé de la chaîne latérale (Figure 2).

Les acides aminés sont représentés par une seule lettre majuscule ou une abréviation de trois lettres. Par exemple, la valine est connue par la lettre V ou le symbole à trois lettres val. Tout comme certains acides gras sont essentiels à un régime alimentaire, certains acides aminés sont également nécessaires. Ils sont connus sous le nom d’acides aminés essentiels et, chez l’homme, ils comprennent l’isoleucine, la leucine et la cystéine. Les acides aminés essentiels désignent ceux qui sont nécessaires à la construction des protéines dans le corps, bien qu’ils ne soient pas produits par le corps ; les acides aminés qui sont essentiels varient d’un organisme à l’autre.

Figure 3. La formation de la liaison peptidique est une réaction de synthèse par déshydratation. Le groupe carboxyle d’un acide aminé est lié au groupe amino de l’acide aminé entrant. Dans le processus, une molécule d’eau est libérée.

La séquence et le nombre d’acides aminés déterminent finalement la forme, la taille et la fonction de la protéine. Chaque acide aminé est attaché à un autre acide aminé par une liaison covalente, appelée liaison peptidique, qui est formée par une réaction de déshydratation. Le groupe carboxyle d’un acide aminé et le groupe amino de l’acide aminé entrant se combinent, libérant une molécule d’eau. La liaison qui en résulte est la liaison peptidique (figure 3).

Les produits formés par ces liaisons sont appelés peptides. Au fur et à mesure que d’autres acides aminés se joignent à cette chaîne croissante, la chaîne résultante est appelée polypeptide. Chaque polypeptide possède un groupe amino libre à une extrémité. Cette extrémité est appelée l’extrémité N, ou l’extrémité amino, et l’autre extrémité possède un groupe carboxyle libre, également appelé l’extrémité C ou carboxyle. Bien que les termes polypeptide et protéine soient parfois utilisés de manière interchangeable, un polypeptide est techniquement un polymère d’acides aminés, alors que le terme protéine est utilisé pour un ou plusieurs polypeptides qui se sont combinés ensemble, ont souvent des groupes prosthétiques non peptidiques liés, ont une forme distincte et ont une fonction unique. Après la synthèse des protéines (traduction), la plupart des protéines sont modifiées. Ces modifications sont connues sous le nom de modifications post-traductionnelles. Elles peuvent subir un clivage, une phosphorylation ou nécessiter l’ajout d’autres groupes chimiques. Ce n’est qu’après ces modifications que la protéine est complètement fonctionnelle.

Structure des protéines

Comme nous l’avons vu précédemment, la forme d’une protéine est essentielle à sa fonction. Par exemple, une enzyme peut se lier à un substrat spécifique sur un site appelé site actif. Si ce site actif est altéré en raison de modifications locales ou de changements dans la structure globale de la protéine, l’enzyme peut être incapable de se lier au substrat. Pour comprendre comment la protéine obtient sa forme ou sa conformation finale, nous devons comprendre les quatre niveaux de structure des protéines : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire.

Structure primaire

La séquence unique d’acides aminés dans une chaîne polypeptidique est sa structure primaire. Par exemple, l’hormone pancréatique insuline possède deux chaînes polypeptidiques, A et B, et elles sont reliées entre elles par des liaisons disulfures. L’acide aminé N-terminal de la chaîne A est la glycine, tandis que l’acide aminé C-terminal est l’asparagine (figure 4). Les séquences d’acides aminés des chaînes A et B sont uniques à l’insuline.

Figure 4. L’insuline de sérum bovin est une hormone protéique composée de deux chaînes peptidiques, A (21 acides aminés de long) et B (30 acides aminés de long). Dans chaque chaîne, la structure primaire est indiquée par des abréviations de trois lettres qui représentent les noms des acides aminés dans l’ordre où ils sont présents. L’acide aminé cystéine (cys) possède un groupe sulfhydryle (SH) comme chaîne latérale. Deux groupes sulfhydryles peuvent réagir en présence d’oxygène pour former une liaison disulfure (S-S). Deux liaisons disulfure relient les chaînes A et B, et une troisième aide la chaîne A à se plier dans la bonne forme. Notez que tous les liens disulfure sont de la même longueur, mais sont dessinés de tailles différentes pour plus de clarté.

La séquence unique de chaque protéine est finalement déterminée par le gène codant pour la protéine. Un changement dans la séquence nucléotidique de la région codante du gène peut conduire à l’ajout d’un acide aminé différent à la chaîne polypeptidique en croissance, entraînant un changement dans la structure et la fonction de la protéine. Dans l’anémie falciforme, la chaîne β de l’hémoglobine (dont une petite partie est représentée sur la figure 5) présente une substitution d’un seul acide aminé, ce qui entraîne un changement dans la structure et la fonction de la protéine.

Figure 5. La chaîne bêta de l’hémoglobine a une longueur de 147 résidus, et pourtant une seule substitution d’acide aminé conduit à l’anémie falciforme. Dans l’hémoglobine normale, l’acide aminé en position sept est le glutamate. Dans l’hémoglobine drépanocytaire, ce glutamate est remplacé par une valine.

Spécifiquement, l’acide aminé acide glutamique est substitué par une valine dans la chaîne β. Ce qui est le plus remarquable à considérer, c’est qu’une molécule d’hémoglobine est composée de deux chaînes alpha et de deux chaînes bêta qui sont chacune constituées d’environ 150 acides aminés. La molécule compte donc environ 600 acides aminés. La différence structurelle entre une molécule d’hémoglobine normale et une molécule drépanocytaire – qui réduit considérablement l’espérance de vie – est un seul acide aminé sur les 600. Ce qui est encore plus remarquable, c’est que ces 600 acides aminés sont codés par trois nucléotides chacun, et que la mutation est causée par un seul changement de base (mutation ponctuelle), soit 1 sur 1800 bases.

Figure 6. Dans ce frottis sanguin, visualisé à un grossissement de 535x à l’aide d’un microscope à champ clair, les cellules drépanocytaires sont en forme de croissant, tandis que les cellules normales sont en forme de disque. (crédit : modification du travail d’Ed Uthman ; données de la barre d’échelle de Matt Russell)

En raison de ce changement d’un acide aminé dans la chaîne, les molécules d’hémoglobine forment de longues fibres qui déforment les globules rouges biconcaves, ou en forme de disque, et prennent une forme de croissant ou de « faucille », ce qui obstrue les artères (figure 6). Cela peut entraîner une myriade de problèmes de santé graves tels que l’essoufflement, les vertiges, les maux de tête et les douleurs abdominales pour les personnes touchées par cette maladie.

Structure secondaire

Le repliement local du polypeptide dans certaines régions donne lieu à la structure secondaire de la protéine. Les plus courantes sont les structures en hélice α et en feuillets β-plissés (figure 7). Ces deux structures sont la structure α-hélice – l’hélice maintenue en forme par des liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogène se forment entre l’atome d’oxygène du groupe carbonyle d’un acide aminé et un autre acide aminé qui se trouve quatre acides aminés plus loin dans la chaîne.

Figure 7. L’hélice α et le feuillet β-plissé sont des structures secondaires des protéines qui se forment en raison de la liaison hydrogène entre les groupes carbonyle et amino dans le squelette peptidique. Certains acides aminés ont une propension à former une hélice α, tandis que d’autres ont une propension à former un feuillet β-plissé.

Chaque tour d’hélice dans une hélice alpha comporte 3,6 résidus d’acides aminés. Les groupes R (les groupes variants) du polypeptide dépassent de la chaîne de l’hélice α. Dans le feuillet β-plissé, les « plis » sont formés par la liaison hydrogène entre les atomes du squelette de la chaîne polypeptidique. Les groupes R sont attachés aux carbones et s’étendent au-dessus et au-dessous des plis du pli. Les segments plissés s’alignent parallèlement ou antiparallèlement les uns aux autres, et des liaisons hydrogène se forment entre l’atome d’azote partiellement positif du groupe amino et l’atome d’oxygène partiellement négatif du groupe carbonyle du squelette peptidique. Les structures α-hélice et β-feuillet plissé se retrouvent dans la plupart des protéines globulaires et fibreuses et elles jouent un rôle structurel important.

Structure tertiaire

La structure tridimensionnelle unique d’un polypeptide est sa structure tertiaire (figure 8). Cette structure est en partie due aux interactions chimiques à l’œuvre sur la chaîne polypeptidique. Ce sont principalement les interactions entre les groupes R qui créent la structure tertiaire tridimensionnelle complexe d’une protéine. La nature des groupes R présents dans les acides aminés concernés peut contrecarrer la formation des liaisons hydrogène décrites pour les structures secondaires standard. Par exemple, les groupes R de même charge se repoussent mutuellement et ceux de charge différente s’attirent (liaisons ioniques). Lors du repliement des protéines, les groupes R hydrophobes des acides aminés non polaires se trouvent à l’intérieur de la protéine, tandis que les groupes R hydrophiles se trouvent à l’extérieur. Les premiers types d’interactions sont également appelés interactions hydrophobes. L’interaction entre les chaînes latérales de cystéine forme des liaisons disulfure en présence d’oxygène, la seule liaison covalente se formant au cours du repliement des protéines.

Figure 8. La structure tertiaire des protéines est déterminée par une variété d’interactions chimiques. Celles-ci comprennent les interactions hydrophobes, les liaisons ioniques, les liaisons hydrogène et les liaisons disulfures.

Toutes ces interactions, faibles et fortes, déterminent la forme tridimensionnelle finale de la protéine. Lorsqu’une protéine perd sa forme tridimensionnelle, elle peut ne plus être fonctionnelle.

Structure quaternaire

Dans la nature, certaines protéines sont formées de plusieurs polypeptides, également appelés sous-unités, et l’interaction de ces sous-unités forme la structure quaternaire. Les interactions faibles entre les sous-unités contribuent à stabiliser la structure globale. Par exemple, l’insuline (une protéine globulaire) possède une combinaison de liaisons hydrogène et de liaisons disulfure qui font qu’elle est principalement agglutinée en forme de boule. Au départ, l’insuline est un polypeptide unique et perd certaines séquences internes en présence de modifications post-traductionnelles après la formation des liaisons disulfure qui maintiennent les chaînes restantes ensemble. La soie (une protéine fibreuse), par contre, possède une structure en feuillets β-plissés qui résulte de la liaison hydrogène entre différentes chaînes.

Les quatre niveaux de structure des protéines (primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire) sont illustrés dans la figure 9.

Figure 9. Les quatre niveaux de la structure des protéines peuvent être observés sur ces illustrations. (crédit : modification des travaux du National Human Genome Research Institute)

Dénaturation et repliement des protéines

Chaque protéine possède une séquence et une forme uniques qui sont maintenues ensemble par des interactions chimiques. Si la protéine est soumise à des changements de température, de pH, ou à une exposition à des produits chimiques, la structure de la protéine peut changer, perdant sa forme sans perdre sa séquence primaire dans ce qu’on appelle la dénaturation. La dénaturation est souvent réversible car la structure primaire du polypeptide est conservée dans le processus si l’agent dénaturant est retiré, permettant à la protéine de reprendre sa fonction. Parfois, la dénaturation est irréversible, ce qui entraîne une perte de fonction. Un exemple de dénaturation irréversible d’une protéine est celui d’un œuf au plat. La protéine albumine contenue dans le blanc d’œuf liquide est dénaturée lorsqu’elle est placée dans une poêle chaude. Toutes les protéines ne sont pas dénaturées à haute température ; par exemple, les bactéries qui survivent dans les sources chaudes ont des protéines qui fonctionnent à des températures proches de l’ébullition. L’estomac est également très acide, son pH est faible et il dénature les protéines dans le cadre du processus de digestion ; cependant, les enzymes digestives de l’estomac conservent leur activité dans ces conditions.

Le repliement des protéines est essentiel à leur fonction. On pensait à l’origine que les protéines elles-mêmes étaient responsables du processus de repliement. Ce n’est que récemment que l’on a découvert qu’elles recevaient souvent une assistance dans le processus de repliement de la part d’aides protéiques connues sous le nom de chaperons (ou chaperonines) qui s’associent à la protéine cible pendant le processus de repliement. Ils agissent en empêchant l’agrégation des polypeptides qui composent la structure complète de la protéine, et ils se dissocient de la protéine une fois que la protéine cible est repliée.

Fonction des protéines

Les principaux types et fonctions des protéines sont énumérés dans le tableau 1.

Deux types particuliers et communs de protéines sont les enzymes et les hormones. Les enzymes, produites par les cellules vivantes, sont des catalyseurs des réactions biochimiques (comme la digestion) et sont généralement des protéines complexes ou conjuguées. Chaque enzyme est spécifique du substrat (un réactif qui se lie à une enzyme) sur lequel elle agit. L’enzyme peut contribuer aux réactions de dégradation, de réarrangement ou de synthèse. Les enzymes qui dégradent leurs substrats sont appelées enzymes cataboliques, les enzymes qui construisent des molécules plus complexes à partir de leurs substrats sont appelées enzymes anaboliques, et les enzymes qui affectent la vitesse de la réaction sont appelées enzymes catalytiques. Il convient de noter que toutes les enzymes augmentent la vitesse de réaction et sont donc considérées comme des catalyseurs organiques. Un exemple d’enzyme est l’amylase salivaire, qui hydrolyse son substrat, l’amylose, un composant de l’amidon.

Les hormones sont des molécules de signalisation chimique, généralement de petites protéines ou des stéroïdes, sécrétées par des cellules endocrines qui agissent pour contrôler ou réguler des processus physiologiques spécifiques, notamment la croissance, le développement, le métabolisme et la reproduction. Par exemple, l’insuline est une hormone protéique qui aide à réguler le taux de glucose dans le sang.

Les protéines ont des formes et des poids moléculaires différents ; certaines protéines sont de forme globulaire alors que d’autres sont de nature fibreuse. Par exemple, l’hémoglobine est une protéine globulaire, mais le collagène, présent dans notre peau, est une protéine fibreuse. La forme des protéines est essentielle à leur fonction, et cette forme est maintenue par de nombreux types différents de liaisons chimiques. Les changements de température, de pH et l’exposition à des produits chimiques peuvent entraîner des modifications permanentes de la forme de la protéine, entraînant une perte de fonction, appelée dénaturation. Toutes les protéines sont constituées de différents arrangements des mêmes 20 types d’acides aminés.

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