7.1.1 Les acides aminés, structure primaire
Les protéines sont un assemblage de un ou plusieurs polypeptides, des molécules
issues de la polymérisation d’acides aminés. Les acides aminés sont des composés
organiques pouvant être classés selon trois catégories : les acides aminés apolaires,
polaires et chargés. Ces molécules sont composées d’un groupement amine et d’un
groupement carboxylate séparés par un groupe CH-R, R étant différent pour chaque
acide aminé. Les quatre fonctions chimiques (carboxylate, amine, le groupement
R et l’hydrogène), sont portées par le carbone central, appelé également carbone
FIGURE7.1 – L-acide aminé.
alpha ou Cα. Notons également que les acides aminés sont des molécules chirales
à cause du carbone alpha asymétrique. Dans le monde biologique la configuration
du Cα des acides aminés naturels est la forme levogyre, on parle de L-acide aminé
comme décrit dans la figure 7.1.
Il existe 20 acides aminés "standard" que l’on retrouve dans toutes les
pro-téines. On peut discriminer les acides aminés selon plusieurs classifications : leur
structure chimique, leur nom, par un code à trois lettres et par un code à une
lettre. La structure des 20 acides aminés, leur nom et la signification des codes sont
renseignés dans la figure 7.2.
FIGURE7.2 – Structures et abréviations des 20 acides aminés standard. La chaine
la-térale (groupement R) est représentée en bleu.
pas avec les molécules d’eau environnantes. Ces acides aminés sont souvent situés
à l’intérieur de la protéine et, à cause de leur apolarité, n’interagissent pas avec les
substrats impliqués dans des réactions chimiques.
Les acides aminés polaires possèdent une chaîne latérale R qui interagit avec les
molécules d’eau environnantes par des interactions faibles de type liaisons
hydro-gène. Ces acides aminés se situent aussi bien à la surface de la protéine où ils entrent
en interaction avec le solvant qu’à l’intérieur de la protéine. Les liaisons hydrogène
sont responsables de la stabilité des structures secondaires des protéines. De plus,
ces acides aminés peuvent coordiner et stabiliser des substrats extérieurs à la
protéine et impliqués dans des réactions chimiques grâce à des liaisons hydrogène.
Selon la polarité de l’environnement autour de ces acides aminés, certains peuvent
exister sous plusieurs formes, une forme protonée et une forme déprotonée. C’est le
cas par exemple de l’histidine et de la cystéine. L’absence du proton sur la cystéine
peut ainsi induire un repliement différent de la protéine, via la formation d’un pont
disulfure, impliqué dans la stabilisation de la structure tertiaire. Enfin notons la
présence de la glycine, l’acide aminé le plus simple (R=H) qui est inclus dans cette
catégorie des acides aminés polaires. Sa présence y est par défaut, ce dernier n’étant
C
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ÉNÉRALITÉS SUR LES PROTÉINESni hydrophobe ni chargé.
Les acides aminés chargés possèdent une chaîne latérale R qui est chargée au
pH physiologique de la protéine. Comme pour les acides aminés polaires, la charge
portée par le groupement R permet à des molécules d’eau ou à d’autres molécules
de former des liaisons hydrogène avec l’acide aminé considéré.
Les acides aminés sont les briques de la construction des protéines. Par une
réaction de condensation ces derniers peuvent se lier afin de former un polypeptide.
Cette réaction fait intervenir la fonction hydroxyde d’un acide aminé avec la fonction
amine d’un autre acide aminé et conduit à la formation d’une liaison peptidique C-N
liant de façon covalente les deux acides aminés. On parle également d’acide aminé
résidu ou tout simplement de résidu lorsqu’un acide aminé est à l’intérieur d’une
structure protéique. Enfin, par convention la succession de résidus du polypeptide
est écrite de telle sorte à avoir à gauche la fonction amine du premier résidu libre,
c’est le N-terminal et à droite la fonction acide carboxylate du dernier résidu libre,
c’est le C-terminal.
Dans les protéines, l’organisation structurale se présente selon 4 niveaux qui
se-ront détaillés par la suite. Le premier niveau dit structure primaire de la protéine
correspond à la séquence des acides aminés d’un polypeptide comme présenté dans
la figure 7.3. On appelle le backbone ou chaîne principale la succession des atomes
carbone, oxygène, azote et hydrogène que constitue la liaison peptidique et le Cα
pro-toné .
FIGURE 7.3 – Structure d’un polypeptide d’une protéine selon la convention
stan-dard. Le résidu 1 est appelé le résidu N-terminal et le résidu 4 est appelé le résidu
C-terminal.
7.1.2 Structure secondaire
La structure secondaire d’une protéine rend compte de la conformation adoptée
par le polypeptide. Dans ce dernier, la liaison peptidique entre chaque résidu
pos-sède deux formes résonnantes dues à la délocalisation électronique. Cette partie de
la molécule est alors considérée comme une structure plane. Les torsions observées
dans les protéines sont alors majoritairement issues des rotations entre les atomes
Cα-N et Cα-C.
Le polypeptide va alors se replier afin de former une structure secondaire
satisfaisant deux conditions : elle doit générer un minimum de contraintes stériques
et posséder le plus grand nombre possible de liaisons hydrogène entre les
groupe-ments polaires du polypeptide. Deux différents types de structures secondaires sont
souvent rencontrés dans les protéines : l’héliceαet le feuilletβ.
L’héliceαcorrespond à une conformation torsadée du backbone. Celui-ci se tord
en formant une hélice droite de l’ordre d’une dizaine de résidus. Dans cette structure
secondaire les chaînes latérales sont pointées vers l’extérieur de l’hélice (voir Figure
7.4).
Le feuilletβconsiste quand à lui a une succession de rangées de résidus alignées et
FIGURE7.4 – A gauche, structure en ruban d’une héliceαet représentation en tout
atome des résidus la composant. A droite, structure en ruban de deux feuillets β
antiparallèles en jaune ainsi que d’une boucle "épingle a cheveu" reliant ces deux
feuillets.
liées par des liaisons hydrogène. Ces feuilletsβpeuvent être alignés de deux façons :
les feuilletsβparallèles et antiparallèles. Dans les feuillets parallèles, les rangées de
résidus sont alignées dans le même sens alors que dans les feuillets antiparallèles
elles sont alignées de façons opposées. En détails, cela signifie que pour les feuillets
parallèles les séquences de résidus du N-terminal au C-terminal sont orientées dans
le même sens. Finalement, les chaînes latérales sont disposées de part et d’autres du
C
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ÉNÉRALITÉS SUR LES PROTÉINESplan formé par ce feuillet (voir Figure 7.4). Ces deux structures secondaires sont dites
régulières car chaque résidus appartenant à cette structure possède une
conforma-tion du backbone similaire à son voisin proche. Des structures secondaires
irrégu-lières existent et permettent de joindre deux structures secondaires réguirrégu-lières entre
elles. Des boucles peuvent ainsi connecter des structures secondaires régulières de
différentes façons ce qui entraîne l’apparition de motifs structuraux. Un exemple
standard dit d’épingle à cheveu est visible dans la Figure 7.4. Finalement en terme
de présence on considère en moyenne que 31% des résidus d’une protéine
appar-tiennent à une héliceα, 28% à un feuilletsβet le reste à des boucles irrégulières.
7.1.3 Structure tertiaire
La structure tertiaire d’une protéine rend compte de la forme tri-dimensionnelle
de celle-ci ainsi que de la stabilité de cette dernière. Après la formation des structures
secondaires, les protéines se replient selon plusieurs types d’interactions.
Comme vu précédemment les résidus des protéines peuvent être classés
se-lon leur nature hydrophobe (apolaire) ou hydrophile (polaire). Ainsi les résidus
hydrophiles vont se retrouver à la surface de la protéine où la création de liaisons
hydrogène avec le solvant est possible. En revanche, les résidus hydrophobes vont
s’orienter vers l’intérieur de la protéine où le contact avec les molécules d’eau du
solvant est minimal. On se retrouve alors avec un cœur de la protéine hydrophobe et
une surface hydrophile. Le domaine d’une protéine représente une unité structurale
d’une protéine comportant un cœur hydrophobe. Les protéines peuvent posséder
plusieurs domaines comme par exemple la luciférase, protéine responsable de la
bioluminescence chez les lucioles qui en possède deux (voir Figure 7.5).
Le repliement des protéines conduit le plus souvent à un seul arrangement stable
en trois dimensions. Étonnamment, la structure repliée des protéines n’est pas
excessivement plus stable que la structure dépliée. On considère en général une
sta-bilisation de l’ordre de 0.1 kcal/mol par résidu pour la structure repliée. La principale
force de stabilisation est l’effet hydrophobe. En effet, quand les résidus hydrophobes
sont en contact direct avec les molécules d’eau cela perturbe le réseau de liaisons
hydrogène entre la protéine et le solvant. Ces résidus hydrophobes s’agrègent alors
entre eux afin de minimiser au maximum le contact avec les molécules d’eau et
diminuer l’énergie totale de la protéine.
D’autres effets permettent également de stabiliser la structure de la protéine. On
peut citer l’interaction entre une paire d’ions, comme par exemple entre le
groupe-ment ammonium d’une lysine et le groupegroupe-ment carboxylate d’un glutamate. La
créa-tion d’un pont disulfure joue également un rôle dans le repliement de la protéine et
influence la forme de cette dernière. Ces deux précédentes interactions n’apportent
cependant qu’une légère stabilisation de la protéine repliée.
FIGURE7.5 – Structure des domaines de la luciférase. En bleu, le domaine N-terminal
et en violet le domaine C-terminal.
7.1.4 Structure quaternaire
La structure quaternaire d’une protéine intervient sur les grosses protéines quand
celles-ci possèdent plusieurs chaînes polypeptidiques. Chaque chaîne est alors
appe-lée sous-unité. Ces différentes sous-unités peuvent être similaires, on utilise le
pré-fixe -homo ou bien différentes, on utilise le prépré-fixe -hétéro. Dans tous les cas ces
sous-unités s’organisent de façon à avoir le plus haut degré de symétrie possible. L’intérêt
de ces sous-unités est que celles-ci vont interagir les unes par rapports aux autres par
effet de coopération ou par allostérie, le principal mécanisme à l’œuvre dans
l’hémo-globine.
Dans le document
Etude QM/MM de systèmes bioluminescents
(Page 79-84)