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La structure des protéines

Dans le document Etude QM/MM de systèmes bioluminescents (Page 79-84)

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

HAPITRE

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ni 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

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plan 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.

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