L’utilité des protéines

Les protéines possèdent de nombreuses applications chez les espèces vivantes.

On ne parlera ici que d’un petit nombre d’applications parmi les plus connues.

Certaines protéines ont un rôle de transport de ligands comme par exemple

l’hémoglobine qui transporte les molécules de dioxygène des poumons vers le

reste du corps via les voies sanguines. L’intérêt de cette protéine réside dans son

fonctionnement de captation du dioxygène, selon un mécanisme coopératif. En

effet l’hémoglobine est une protéine hétérotétramérique formée de quatre chaînes

peptidiques identiques deux à deux (deux chaînesαet deux chaînesβ) (voir Figure

7.6). Chaque chaîne peut fixer une molécule de dioxygène soit quatre au total. Si on

trace la courbe de la saturation de la protéine en fonction de la concentration de

C

HAPITRE

7 : G

ÉNÉRALITÉS SUR LES PROTÉINES

dioxygène du milieu on obtient une courbe de type sigmoïde contrairement à une

hyperbole observée dans les autres protéines fixatrice de dioxygène. A ce

compor-tement on en déduit qu’à chaque fois qu’un dioxygène est capté par une chaîne,

cela facilite la fixation des suivants. Le mécanisme à l’oeuvre est de type structural.

Dans chaque sous-unité, le dioxygène se fixe à un hème, une métallo-porphyrine

composé d’un ion fer(II). Le dioxygène va se coordiner sur ce fer(II) ainsi que sur

une histidine voisine ce qui modifie la conformation de cette sous-unité et induit

par la suite un changement important de la forme des sous-unités non-pourvue

en dioxygène. Ainsi la quatrième molécule de dioxygène possède une affinité de

fixation à l’hémoglobine cent fois supérieur à celle de la première molécule.

Les protéines sont également à l’œuvre dans la structure des cellules du vivant. On

FIGURE7.6 – Structure cristallographique déprotonée de l’hémoglobineα. Les

diffé-rentes sous-unités sont représentées en ruban et d’une couleur différente. Les quatre

hèmes sont représentés en tout atome. La structure est issue du PDB 3hhb.pdb⁹⁴.

appelle ces protéines des protéines fibreuses. On peut citer comme exemple le

col-lagène et la kératine présents respectivement dans le cartilage, dans les poils et dans

les ongles. Les protéines structurales peuvent être classées en trois catégories selon

la taille des fibres. Les microtubules possèdent un diamètre supérieur à 240 Å comme

le collagène ; les filaments intermédiaires un diamètre supérieur à 100 Å comme la

kératine. Enfin les filaments ont un diamètre de l’ordre de 70 Å. Les

micro-filaments présents dans le cytosquelette des cellules eucaryotes sont formés d’actine.

L’actine est une protéine importante dans le phénomène de contraction

mus-culaire. Cela conduit à un troisième type de fonction importante, les protéines

motrices. L’actine va se lier avec la myosine, une protéine composée de deux

poly-peptides enroulés ensemble. Chaque polypeptide possède une tête, qui peut se lier

à l’actine. La myosine fait alors coulisser le filament d’actine grâce à un changement

de conformation due à une réaction avec l’ATP. En parallèle, le même comportement

est observé sur un autre filament d’actine, ces deux filaments se rapprochent alors et

induisent la contraction musculaire (voir Figure 7.7).

Finalement on va aborder les réactions enzymatiques. Les enzymes sont une

FIGURE7.7 – Mouvement des micro-filaments d’actines lors de la contraction

mus-culaire.

sous-catégorie de protéine permettant la catalyse de réactions chimiques. Chaque

enzyme permet le plus souvent de catalyser une réaction, c’est à dire que seul un

substrat, ou des molécules chimiquement similaires peuvent interagir avec une

seule enzyme. De même un substrat peut généralement subir l’influence d’une

protéine, mais certains sont identifiables dans plusieurs réactions catalytiques

différentes. On assimile souvent les réactions enzymatiques à une image de clé

(substrat) avec une serrure (enzyme). On classe les enzymes selon le type de réaction

qu’elles catalysent avec le suffixe -ase représentant l’enzyme. Ainsi les hydrolases

représentent les enzymes catalysant les réactions d’hydrolyse. Le rôle des enzymes

est primordial, car elles réalisent la majorité des réactions chimiques dans les

systèmes biologiques. Il existe de nombreuses études sur les enzymes, permettant

une meilleure compréhension de ces systèmes complexes. Les réactions de

biolumi-nescence font notamment intervenir des enzymes, ces molécules sont donc au cœur

de ma recherche.

Chapitre 8

Comment modéliser une protéine

8.1 Modéliser et représenter un système protéique

Les systèmes protéiques sont modélisés à partir de fichier contenant les

coor-données des atomes. Ces coorcoor-données sont issues de la résolution de cristaux par

diffraction des rayons X ou par diffraction de neutrons. Selon la résolution et la

précision de la carte de densité électronique obtenue, le modèle construit sera plus

au moins complet et ne contiendra pas d’hydrogène dans le cas d’une strcuture

obtenue par RX.

Une fois ce modèle construit et publié, il devient disponible en libre accès sur

le site http ://www.rcsb.org, formaté selon le type PDB pour Protéin Data Bank. De

nombreux logiciels existent ensuite afin de protoner la protéine, calculer le pKa des

résidus et construire les boucles manquantes. Dans cette thèse, le pKa des résidus a

été calculé avec le site H++⁹⁵, les résidus protonés avec le programme leap de la suite

logicielle Amber⁵⁵et les boucles manquantes construites avec le logiciel Disgro⁹⁶.

Pour les protéines utilisées dans cette thèse, un certain nombre d’approximations

ont également été considérées. Ainsi, nous n’incluons pas d’ion magnésium dans le

milieu car il n’y a pas de preuves expérimentales de sa présence après la réaction de

bioluminescence. De même les systèmes modélisés sont équilibrés afin d’avoir une

charge totale neutre. On protone pour cela certaines histidines (charge +1) ou on

ajoute des contre-ions au milieu. Il est alors important de noter que le pH du milieu

protéique n’est pas pris en compte et que celui-ci peut varier d’un modèle à l’autre.

Lors de cette thèse, le logiciel VMD (Visual Molecular Dynamics) est utilisé afin de

visualiser et représenter les structures des systèmes protéiques. Dans les figures

pré-sentes dans cette thèse, les protéines sont dessinées sous forme de ruban. Ce ruban

fait également apparaître les structures secondaires de la protéine. Les substrats,

ré-sidus et molécules d’eau à l’intérieur de la protéine sont représentés par la méthode

CPK ou Licorice (appelé aussi bâton dans cette thèse). Dans la représentation CPK,

les atomes sont dessinés comme des sphères et les liaisons comme des cylindres.

Pour la représentation Licorice, les liaisons sont dessinées par des cylindres et les

atomes par des points. Dans ce logiciel le code couleur utilisé afin de représenter les

résidus et les substrats est le suivant : O rouge, H hydrogène, C cyan, N bleu, S jaune.

Pour la structure secondaire de la protéine, les hélices alpha sont dessinées en violet

et les feuillets béta en jaune.

Dans le document Etude QM/MM de systèmes bioluminescents (Page 84-88)