Les molécules constituant les êtres vivants peuvent être classées en quatre grandes familles: les lipides, les carbohydrates, les acides nucléiques et les protéines. D'un point de vue chimique, une protéine est un hétéropolymère linéaire, c'est-à-dire qu'elle est le résultat de l'enchaînement linéaire de monomères : les acides aminés ou résidus. La structure d'une protéine peut être décrite à plusieurs niveaux de structure.
B
.1. Structure primaire
La structure primaire correspond à la séquence proprement dite de la protéine, c'est-à-dire à l'enchaînement des acides aminés par la liaison peptidique. On dénombre pas moins de 20 acides aminés qui ne diffèrent les uns des autres que par leur chaîne latérale (groupement R) portée par le CαR (Figure 01). On parle de peptide lorsque le nombre de résidus formant la molécule est inférieur à 50 et de protéine au delà de 50 résidus.
Valine
Alanine Glycine Isoleucine Leucine
Sérine Thréonine Proline Cystéine Méthionine
Phénylalanine Tyrosine Tryptophane Aspartate Glutamate
Arginine Lysine Histidine Asparagine Glutamine Figure 01 : Structure des 20 acides aminés composant les protéines.
B
.2. Structure secondaire
La structure secondaire d'une protéine correspond aux repliements qu'adoptent les portions partielles de la séquence protéique, caractérisées par les angles dièdres ω, φ, ψR de leurs résidus (Figure 02) et par la présence de certaines liaisons hydrogène.
Dans les protéines, les acides aminés sont reliés entre eux par une liaison peptidique O=CQNQH caractérisée par 2 formes imposant ainsi à l'angle de torsion de la liaison C-N (angle dièdres ω) deux valeurs particulières (Figure 03) :
0° : liaison peptidique cis : son taux d'occurrence est très faible. C'est avec la proline que
180° : liaison peptidique trans : c'est la forme la plus stable correspondant à la forme quasiment exclusivement observée dans les protéines.
Cαi-1 C i-1
O i-1
H i N i
Cαi Cβi
O i C i
Cαi+1 N i+1
H i+1
ω ω ω ω
i-1φ φ φ φ
iψ ψ ψ ψ
iFigure 02 : Définition des Angles dièdres ωω, φωω φφ et ψφ ψψψ.
ω = 180°
ω = 180°
ω = 180°
ω = 180° ω = 0° ω = 0° ω = 0° ω = 0°
Figure 03 : Liaisons peptidiques trans (ωωωω = 180°) et cis (ωωωω = 0°).
Puisque la grande majorité des liaisons peptidiques sont en conformation trans (ω = 180°), il est donc possible de décrire la structure d'une protéine à partir de ses seuls angles dièdres φ et ψ. L'angle dièdre φ correspond à l'angle de torsion de la liaison N-Cαααα et ψ, à l'angle de torsion de la liaison Cαααα-C (Figure 02). Ramachandran (Ramachandran et al. 1963) a été le premier à
proposer d'utiliser la valeur de φ en abscisse et celle de ψ en ordonnée pour tracer une carte 2D, depuis appelée carte de Ramachandran (Figure 04), sur laquelle chacun des résidus de la protéine est représenté par un point.
a) b)
c)
Figure 04 : Cartes de Ramachandran de la glycine (a), de la valine, de l’isoleucine et de la thréonine (b) et des autres résidus (c), d'après le logiciel MOLMOL (Koradi et al.
1996).
Ce type de représentation permet ainsi de voir le comportement différent que peut adopter un résidu. La glycine dont la chaîne latérale est un simple atome d'hydrogène, ne connaît pratiquement pas de restriction de valeurs d'angles dièdres : une très grande partie de la carte de Ramachandran est explorée (Figure 04a). A l'opposé, la proline, seul acide aminé cyclique, ne possède que deux régions véritablement favorables du point de vue énergétique.
Des analyses, effectuées au sein d'une banque de structures de protéines, sur la conformation des prolines nous apprend que 44 % des prolines se situent dans la zone φ = - 61°, ψ = - 35° et 56 % dans la zone φ = - 65°, ψ = + 150° (MacArthur et al. 1991).
Les structures secondaires ordonnées des protéines peuvent être classées en trois catégories : les hélices, les brins et les coudes. Lorsqu’une portion de protéine ne satisfait à aucun des
B.2.a. Les hélices
Une structure en hélice est définie comme étant une portion de la chaîne peptidique s'enroulant en spirale. Il en existe plusieurs types selon le nombre de résidus par tour d'hélice (Figure 05).
L'hélice αααα est l'élément de structure secondaire le plus courant. C'est une hélice enroulée à droite constituée de 3,6 résidus par tour. C'est une structure très stable grâce à la présence de liaisons hydrogène entre le C=O du résidu i et le N-H du résidu i+4.
Ses valeurs d'angles dièdres sont : φ = - 57° et ψ = - 47°.
L'hélice ααααG (gauche) est stabilisée par les mêmes types de liaisons hydrogène, mais elle possède un sens d'enroulement gauche, donnant ainsi des valeurs d'angles dièdres inversées : φ = + 57° et ψ = + 47°. Cette zone de la carte de Ramachandran n'est ainsi accessible qu'aux résidus glycines, ce qui explique la rareté de cette structure au sein des protéines.
L'hélice 310 est moins compacte car elle ne possède que 3 résidus par tour. Elle est moins stable et donc beaucoup moins fréquemment observée que l'hélice α. Elle est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les résidus i et i+3, et correspond en fait à une succession de coudes β310 (3 résidus et 10 atomes impliqués).
Les angles dièdres des résidus la constituant ont pour valeur : φ = - 49° et ψ = - 29°.
L'hélice ππππ est, elle, plus compacte que l'hélice αααα avec 4,4 résidus par tour, des liaisons hydrogène entre les résidus i et i+5 pouvant être présentes.
Elle possède des angles dièdres de valeur : φ = - 57° et ψ = - 70°.
Il existe également d'autres types de structures hélicoïdales qui s'organisent en structures régulières mais qui, selon différents auteurs, sont ou ne sont pas considérées comme des structures secondaires.
α αG 310 π PP I PP II PG
Figure 05 : Structures secondaires en hélices (PP : PolyProline; PG : PolyGlycine).
Il a été observé que la succession de résidus prolines pouvait prendre une forme hélicoïdale particulière qui a naturellement été nommée polyproline, bien qu'elle puisse être constituée par d'autres résidus que la proline.
Il existe deux types de structure polyproline :
La structure polyproline I, nécessite une liaison peptidique cis. C’est une hélice enroulée à droite constituée de 3,3 résidus par tour.
Les valeurs des angles dièdres sont : φ = - 83° et ψ = + 149°.
La structure polyproline II nécessite une liaison peptidique trans. C’est une hélice enroulée à gauche constituée de 3 résidus par tour.
Les valeurs des angles dièdres sont φ = - 78° et ψ = + 149°.
Sous forme de peptide, il a été montré que la polyproline II était stable dans l'eau (Sreerama et al. 1999), peut-être grâce à des liaisons hydrogène intra-chaînes formées par l'intermédiaire de molécules d'eau.
Sa présence a notamment été démontrée dans certaines protéines fibreuses telles que le collagène, qui est l'un des composants majoritaires de la matrice extracellulaire, et qui résulte de l'association de trois chaînes peptidiques en structure polyproline II.
De même, il a été montré que cette structure est présente dans l'élastine d’après des études spectroscopiques en RMN et dichroïsme circulaire (Tamburro et al. 2003, Bochicchio et al.
2004b), en diffusion Raman (Bochicchio et al. 2004b) de certains de ses peptides.
Enfin la structure polyglycine, essentiellement retrouvée dans des domaines riches en glycine, est une structure très proche de la structure polyproline. Elle est caractérisée par des valeurs d’angles dièdres suivant : φ = - 80° et ψ = + 150°.
B.2.b. Les brins βββ β
Le brin β est le deuxième type de structure secondaire ordonnée retrouvé dans les protéines. C'est une structure proche des structures étendues avec des valeurs standards d'angles dièdres φ = - 120° et ψ = + 120°.
Deux ou plusieurs brins β peuvent s'associer en feuillet β grâce à des liaisons hydrogènes caractéristiques ; il en existe, entre autres, deux types caractéristiques (Figure 06) :
- le feuillet ββ ββ anti-parallèle dont l'orientation des brins successifs est inversée avec des
- le feuillet βββ parallèle dont l'orientation des brins successifs est la même, avec des angles β dièdres φ = - 119° et ψ = + 113°.
Figure 06 : Feuillets ββββ anti-parallèles (a)et parallèles (b).
B.2.c. Les coudes
Les coudes permettent à la chaîne polypeptidique d'effectuer un changement de direction à 180°. Ils sont classés selon le nombre de résidus impliqués dans ce changement de direction : on parle de coude δ pour 2 résidus, de coude γ pour 3 résidus (le coude β310 est un cas très particulier de coude à 3 résidus, dont la répétition peut engendrer une hélice α310), de coude β pour 4 résidus, de coude α pour 5 résidus et de coude π pour 6 résidus (Chou 2000).
Les coudes γ et β sont les plus couramment mis en évidence dans les structures des protéines.
Ils sont en particulier souvent observés dans la portion peptidique reliant deux brins β formant un feuillet β anti-parallèle.
Différents types de coudes ont été définis à partir de valeurs précises des angles dièdres φ et ψ. Ainsi un coude γ est dit de type classique pour des valeurs d’angles dièdres du résidu central φ = + 75° et ψ = - 64° et de type inverse pour φ = - 79° et ψ = + 69° (Milner-White et al. 1988).
résidus i
résidus i+1 résidus i+2
résidus i+3
Distance Cαi-Cαi+3 < 7 Å
Figure 07 : Coude ββββ.
Les coudes β, caractérisés par une distance inférieure à 7 Å entre les Cα des résidus terminaux (i et i+3) (Figure 07), sont le plus souvent stabilisés par une liaison hydrogène entre le C=O et le N-H de ces résidus terminaux.
Ils sont classés en sept types réguliers : I, I', II, II', VI (a1, a2) VIb et VIII, selon les valeurs des angles dièdres φ et ψ des résidus centraux i+1 et i+2 (Tableau 01).
Types φφφφi+1 ψψψψi+1 φφφφi+2 ψψψψi+2 ωωωωi+2
I - 60° - 30° - 90° 0° 180°
I' 60° 30° 90° 0° 180°
II - 60° 120° 80° 0° 180°
II' 60° - 120° - 80° 0° 180°
VIII - 60° - 30° - 120° 120° 180°
VIa1 - 60° 120° - 90° 0° 0°
VIa2 - 120° 120° - 60° 0° 0°
VIb - 135° 135° - 75° 160° 0°
IV - - - - -
Tableau 01 : Valeurs canoniques des angles dièdres des différents types de coudes ββββ.
Il est à noter que les coudes β de type VI ne sont présents que lorsque le résidu i+2 possède une liaison peptidique cis (ω = 0°) donc essentiellement lorsque ce résidu est une proline.
En pratique, pour caractériser un type de coude β, on accorde une tolérance de ± 30° sur trois des angles et une tolérance de ± 45° sur le quatrième (Hutchinson et al. 1994). Quand seul le critère de distance inférieure à 7 Å entre le Cαi et Cαi+3 est respecté, c'est-à-dire quand
B.2.d. Les boucles
Le terme boucle ou pelote statistique (random coil) est utilisé lorsque aucune autre structure secondaire ordonnée ne peut être affectée à une conformation locale. Mais il faut cependant bien garder à l'esprit que cela ne signifie pas l'absence d'une structure stable ou d'une structure particulière.
B
.3. Structure tertiaire
La structure tertiaire des protéines correspond au repliement et à l'assemblage des différents éléments de structures secondaires. La structure tertiaire correspond en fait à la structure tridimensionnelle (structure 3D) de la protéine (Figure 08). Ce sont des interactions non liantes de type électrostatique et de van der Waals, ainsi que les ponts salins, les liaisons hydrogènes et les ponts disulfures qui permettent de stabiliser ce type de structure.
Figure 08 : Structure tertiaire de la porine (code PDB : 1E54) : association de brins βββ anti-parallèles en tonneau β (ββ β (ββ (ββ (β-barrel).
B.4. Structure quaternaire
La structure quaternaire d'une protéine résulte de l'association de plusieurs chaînes polypeptidiques ou sous-unités. Ces sous-unités peuvent être identiques comme c'est le cas pour l'hémoglobine (Figure 09) ou bien radicalement différente, comme pour le récepteur de
l'élastine. L’association peut être nécessaire à l'activité biologique qui, dans ce cas, est le plus souvent extrêmement diminuée, voir inexistante au niveau tertiaire.
Figure 09 : Structure quaternaire de l'hémoglobine humaine (code PDB : 1a3N), constituée de 4 sous-unités identiques représentées en différentes couleurs.