Cours : Structure et fonction des protéines

I] Introduction et rappels

Comment une molécule peut acquérir une forme particulière ?

Les protéines sont des molécules constituées par un assemblage d'acides aminés.

Le carbone portant les 2 fonctions (amine et carboxylique) est nommé le carbone α. Les acides aminés se distinguent par leurs radicaux. Dans la nature, on trouve plus de 120 acides aminés, seulement 20 participent à la structure des protéines, ce sont les acides aminés fondamentaux.
 

Pour tous les acides aminés (sauf la glycine avec R = H), le carbone α est un carbone asymétrique. Il existe de ce fait plusieurs formes d'acides aminés qui sont image l'une de l'autre dans un miroir, ce sont les énantiomères ou stéréoisomères de formes L ou R. Les acides aminés constitutifs des protéines sont tous de forme L.

Pour former une protéine, la liaison qui va lier les acides aminés entre eu est la liaison peptidique. Cette liaison résulte de la condensation entre la fonction  α-amine et α-carboxylique d'un autre acide aminé.

On parle de peptide pour désigner des chaines d'acides aminés dont la longueur n'excède pas 20 à 30 acides aminés. On parle de polypeptide pour désigner des chaines d'acides aminés qui possède plus de 30 acides aminés. On parle de protéine pour désigner la molécule fonctionnelle. Une protéine peut être formée d'une ou de plusieurs chaines polypeptidiques.

Le squelette n'est pas linéaire : La conformation particulière est due aux interactions entre radicaux

On peut diviser les acides aminés en 4 groupes :

• Acides aminés à chaine latérale apolaire ou aliphatique (aucune charge résiduelle), propriété très hydrophobe. Exemple : Proline avec une chaine latérale cyclisée avec la fonction α-aminée, Cette cyclisation induit sur la protéine la formation de coude.
• Acides aminés à chaine latérale polaire, mais non chargée. Ils sont relativement hydrophiles.
• Acides aminés à chaine latérale polaire, chargée négativement, car ils possèdent une 2ème fonction carboxylique. Ils sont faiblement polaires et hydrophiles.
• Acides aminés à chaine latérale polaire, chargée positivement. Ils sont faiblement polaires et hydrophiles.

Ces propriétés dans une protéine peuvent être plus ou moins modulées au sein d'une protéine grâce à des modifications post-traductionnelle, qui peuvent être de différent type. Parmi ces modifications, on rencontre :

• Des hydroxylations (ajout de –OH) qui affecte des résidus de lysine ou proline, ce qui donne des hydroxy-proline ou hydroxy-lysine.
• Des phosphorylations / déphosphorylations, sur les sérines, tyrosines, catalysées par des kinases et des phosphatases
• Des méthylations (ajout de –CH3) sur les lysines
• Des acétylations (ajout de –CO-CH3) sur les lysines
• Des glycosylations sur l'asparagine, sérines, thionines, fixation d'un squelette oligosaccharidique.

II] La conformation des protéines

1) Considérations préliminaires

Quels sont les forces d'interactions, quelles sont les liaisons qui peuvent s'établir entre les acides aminés constitutifs d'une chaine polypeptidique ?

On pense à deux sortes d'interactions :

• Covalentes

• Non-covalentes

 

a) Les liaisons covalentes

Elles maintiennent la cohésion des polypeptides, le pont disulfure entre deux cystéines :


Le pont SS n'est pas forcement présent dans toutes les protéines, de la même façon, toutes les cystéines ne forment pas de pont SS. Les ponts SS peuvent participer à la cohésion de la protéine, mais ce ne sont pas les principales liaisons, responsable de la cohésion de la protéine.

b) Les liaisons non-covalentes

On en distingue 4 types :

• Hydrogène
• Hydrophobe
• Ionique
• Force de Van Der Waal.

Différents types de liaison au sein des protéines

c) Les liaisons ioniques

Elles s'établissent entre ions de charge opposée (type électrostatique). La force de ces liaisons est extrêmement variable en fonction de l'environnement dans lequel s'établit la liaison.

Exemple : NaCl = Na+ et Cl- interagissent par des liaisons ioniques dans le cristal. Les interactions sont extrêmement fortes, quasiment comparables à une liaison covalente. Si on met le cristal dans un milieu aqueux, Na+ et Cl- interagissent toujours mais la liaison entre ces ions sera considérablement affaiblie : elle devient plus faible qu'une liaison hydrogène jusqu'à devenir quasiment négligeable.

Loi de Coulomb : F=(Q₁.Q₂)/(D.r²)    

• Q1Q2 : importance des charges en interaction

• D : constante diélectrique du milieu (représente la polarité du solvant)

• r : distance qui sépare ces charges

Par exemple pour l'eau : D = 80 ; pour le benzène C6H6 : D= 4
 

D'après la loi de Coulomb, la force d'une liaison ionique sera d'autant plus importante que les charges des groupements en interaction seront grandes mais aussi que la distance qui sépare ces charges sera faible et que la constante diélectrique du milieu sera faible. Dans une protéine, certains acides aminés seront chargés (positivement = His, Lys, Arg ; négativement = Asp, Glu). Ils sont susceptibles d'établir des liaisons ioniques et sont aussi très hydrophiles donc vont avoir tendance à s'orienter vers la surface de la protéine donc se positionner dans un environnement aqueux. Dans ces conditions, les liaisons ioniques qu'ils établiront se où la constante diélectrique est élevée, et seront donc relativement faibles. Même si dans une protéine, des liaisons peuvent se former, on estime qu'elles sont faibles et ne participent que très peu à la stabilité des protéines.

d) Les liaisons hydrogène

Elles se forment quand un atome d'hydrogène est lié à un atome électronégatif se trouve à proximité d'un atome électronégatif porteur d'un électron libre.
 

Beaucoup de groupements peuvent établir des liaisons hydrogènes. Par exemple, les interactions hydroxiles/hydroxiles entre 2 sérines.
Ces groupements sont polaires : ils auront tendance d'une façon générale à s'orienter vers la surface de la protéine en contact avec le milieu aqueux, ces différents groupements pourront donc former des liaisons H à la fois entre eux mais aussi avec les molécules d'eau du milieu. On considère que seules les liaisons H protégées de l'eau (celles qui s'établissent au cœur de la molécule) constituent un élément appréciable de cohésion de la structure protéique.

e) Les liaisons hydrophobes

Elles résultent de la tendance des chaines latérales des acides aminés apolaires à s'associer les unes aux autres quand elles sont en milieu aqueux.
Même si la force de ces liaisons hydrophobes est faible, on pense aujourd'hui qu'elles représentent le moteur principal responsable du repliement compact des protéines.

f) Les liaisons de Van Der Waals

Elles sont de type électrostatique de courte distance, qui s'établit entre atomes non chargés dont les nuages électroniques s'influence mutuellement. Elles vont permettre aux atomes de se positionner le plus près possible les uns des autres de façon à ce qu'au sein d'une protéine, il n'y ait plus de place pour des molécules. Elles vont permettre au cœur des protéines d'atteindre une structure très compacte. Elles sont extrêmement faibles (100 fois plus faibles qu'une liaison covalente) mais très nombreuses. Collectivement, elles représentent un facteur non négligeable de la stabilisation des protéines.

Organisation structurale

La structure primaire

Elle décrit la façon dont les différents acides aminés d'une chaine polypeptidique sont reliés entre eux par liaison covalente. Elle indique la séquence des acides aminés (le nombre, la nature des acides aminés, et surtout l'ordre d'enchainement, le nombre et la position des éventuels ponts disulfures). Par convention, la structure primaire d'une protéine est écrite sur papier de gauche à droite en partant toujours de l'extrémité amino terminale. Les acides aminés sont numérotés de 1 à n, en partant de l'extrémité amino terminale. 

L'influence de la structure primaire sur la fonction de la protéine est primordiale. On peut considérer que la séquence en acides aminés est le déterminant principal qui dicte, qui conditionne l'acquisition de la structure tridimensionnelle. In vivo, le repliement est facilité par des protéines auxiliaires (elles accélèrent également) : les chaperonines.

La structure secondaire

2 chercheurs ont proposé l'hypothèse que le squelette polypeptidique ne devait, dans la plupart des cas, pas s'organiser de façon désordonnée mais devait adopter dans de nombreuses protéines une conformation régulière et répétitive. On trouve des structures en hélices, ou en feuillets. D'autres types de structures régulières peuvent exister. Structure secondaire = ensemble des conformations régulières et répétitives susceptibles d'être adaptées par le squelette polypeptidique (sans considérer les interactions des chaines latérales).


Règles fondamentales

L'architecture de toute chaine polypeptidique dépend en fait d'une particularité essentielle de la liaison peptidique qui est son caractère « plan rigide » :

 
On a en réalité un phénomène de résonnance : caractère intermédiaire entre une simple et une double liaison. Donc pas de rotation possible autour de cette liaison peptidique. Ils sont situés sur un plan peptidique, avec l'oxygène du carbonyle et l'hydrogène de l'amine en position Trans.

Les groupements entre les plans peptidiques, eux, peuvent pivoter sur leurs liaisons. C'est donc une succession de plans capables de pivoter les uns par rapport aux autres. On peut donc facilement comprendre que la conformation du squelette peptidique pourra être entièrement décrite par les positions respectives des plans peptidiques qui la constituent.

La position des plans peptidiques de part et d'autre du Cα peut être caractérisée par la valeur de 2 angles : les angles φ et ψ. L'angle φ correspond à l'angle de rotation N-Cα et l'angle ψ correspond à l'angle Cα-C. Les plans peptidiques peuvent pivoter autour des liaisons sur 360° autour des liaisons N-Cα et Cα-C. Par convention, ψ et φ varient entre -180° et +180°. L'origine (la valeur 0) correspond à la situation où les plans peptidiques de part et d'autre du Cα sont dans le même plan.

Pour des raisons d'encombrement stérique, toutes les valeurs de ψ et φ ne sont pas possibles dans une chaine polypeptidique. Au contraire, seul un nombre relativement faible de conformations sont possibles et stables.

Ramachandran, au début des années 1900, en étudiant des modèles moléculaires en 3D, a déterminé l'ensemble des couples φψ possibles dans une chaine polypeptidique. On les représente par un diagramme (ci contre). Parmi les couples possibles, certains seront plus fréquents que d'autres car ils conduiront à des configurations plus stables. Ces couples ψφ conduisant à des configurations plus stables auront tendance à se répéter successivement sur des portions plus ou moins longues de la chaine polypeptidique. En se répétant à l'identique, ils conduiront à la constitution de structures très régulières. Ce sont donc ces structures régulières et répétitives dues à la répétition à l'identique des couples ψφ qui conduisent à la formation de la structure secondaire.
 

L'hélice α

 

Elle avait été prédite par Pauline Guecoret bien avant que cette conformation ait été observée. Elle l'avait prédit car elle est compatible avec l'existence du plan peptidique, mais aussi parce qu'elle permet l'établissement d'un nombre maximal de liaison H entre oxygène carbonyle et azote amidé. Cette organisation en hélice α correspond à une structure très stable voir être la plus stable pour une chaine polypeptidique.

L'hélice se forme quand φ = - 57° et ψ = -47°. En se répétant, ce couple va conduire à quelque chose d'homogène qui adoptera la structure d'une hélice.
L'hélice est une structure formant des bâtonnets compacts dans laquelle la chaine polypeptidique s'enroule en hélice droite dans laquelle les chaines latérales sont à l'extérieur. Dans une structure en hélice, chaque oxygène carbonyle forme une liaison H avec l'hydrogène de l'amide situé 4 résidus plus loin. Donc tous les groupements CO et NH de la chaine polypeptidique sont liés les uns avec les autres, formant une structure très stable.

La mise en place de ce type de structure dépend des acides aminés impliqués dans la chaine polypeptidique. Certains acides aminés vont favoriser la formation d'hélices très stables, alors que d'autres acides aminés seront déstabilisants :

• L'alanine (à chaine latérale courte et non chargée : -CH3) est très fréquente dans les structures en hélice α, elle va donc favoriser la formation d'hélice
• La proline est considérée comme déstabilisatrice pour les hélices
• Les séquences qui sont riches soit en acides aminés acides soit en acides aminés basiques sont aussi déstabilisatrices dans la mesure où des répulsions entre chaines de même charge auront lieu

 

Le feuillet plissé β

Comme l'hélice α, il permet l'établissement d'un nombre maximal de liaison H entre groupements CO et NH tout en respectant les contraintes imposées par le plan peptidique. Ici, le squelette peptidique ne s'enroule pas autour d'un axe mais se déplie en accordéon, pour former une structure étirée. C'est en se superposant que ces structures étirées vont établir des liaisons H qui vont les stabiliser.

La mise en place de cette structure en feuillet dépend étroitement de la séquence des acides aminés de la chaine polypeptidique. Bien qu'il n'existe pas de règle stricte, qui permette de modéliser avec certitude la formation de feuillet plissé, d'une façon générale ces structures se forment plus fréquemment à partir de séquences riches en Glycine, Alanine, Valine ou en Isoleucine.

Dans certaines protéines, la quasi-totalité de la séquence adopte une structure en hélice α. Dans d'autres protéines, la quasi-totalité est en feuillet plissé β. Mais dans la majorité des protéines, on trouve au sein de la même chaine polypeptidique à la fois des structures en hélice α et en feuillet plissé β. On trouve aussi dans tous les cas des segments de chaine qui n'adoptent pas de structure secondaire particulière, ce sont des segments de chaine pour lesquels les angles ψ et φ ne vont pas se répéter à l'identique, et qui donneront des structures qui n'auront pas d'organisation répétitive.
 

La triple hélice

Si les structures en hélice α et en feuillet plissé β sont les plus communes, une structure secondaire et très particulière est observée dans les molécules de collagène.

Les collagènes étant quantitativement les  protéines les plus abondantes chez les vertébrés (25% des protéines totales), il est difficile de passer sous silence la description de leur structure secondaire, même si elle représente un cas particulier qui ne se retrouve pas dans d'autres groupes de protéines.

Les collagènes sont toujours formés à partir d'un assemblage d'unités polypeptidiques élémentaires : les molécules de tropocollagène. Elles sont organisées en bâtonnets qui ont en moyenne 300nm de longueur sur 1,5nm de diamètre (cf ci contre). Chaque bâtonnet résulte de l'association de 3 chaines polypeptidiques hélicoïdales qui s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une triple hélice qu'on qualifie de super hélice.
La particularité de cette formation : chacune des chaines élémentaires du tropocollagène adapte en fait une conformation en hélice gauche relativement étirée. Par ailleurs, à la différence de l'hélice alpha, ces hélices gauches ne sont pas stabilisées par des liaisons H intracaténaires mais par des liaisons H qui s'établissent entre chacune des 3 chaines (liaisons H intercaténaires).

La conformation des molécules de tropocollagène est due à leur composition particulière en acides aminés, plus précisément chacune des chaines polypeptidiques élémentaires comporte environ un tiers de résidus glycine et un quart de résidus proline. Par ailleurs, beaucoup de résidus proline de la séquence et beaucoup de résidus lysine sont hydroxylés pour former des hydroxyproline et hydroxylysine.
En fait, la conformation en hélice gauche caractéristique du tropocollagène est due à la répétition d'un motif particulier : le motif glyXY. X est souvent une proline, Y est souvent une hydroxyproline.

Remarque : l'hydroxylation de proline et lysine est importante pour la stabilité du tropocollagène. Maladie : le scorbut = déstabilisation des molécules de tropocollagène, fragilité de toutes les structures à collagène, due à une mauvaise réalisation de réaction d'hydroxylation des prolines et lysines du tropocollagène, dû au fait que l'acide ascorbique est un cofacteur de la lysine hydroxylase et de la proline hydroxylase.

L'absence de structure secondaire

Toutes les protéines n'adoptent pas forcément une structure secondaire sur toute la longueur de la chaine polypeptidique. Les structures qui ont une séquence en feuillet ou en hélice alternent avec des séquences qui n'ont pas de structure secondaire (donc pas d'alternance d'angle ψ et sigma).

La plupart du temps, les séquences sans structures secondaires permettent d'unir entre eux des segments de chaines qui ont une structure secondaire et vont donc constituer des zones flexibles nécessaires au repliement de la protéine. D'une façon générale, les séquences sans structure secondaire comportent en moyenne entre 2 et 15 acides aminés qui sont très souvent des acides aminés hydrophiles et qui auront tendance à se localiser à la surface de la protéine.

Dans d'autres protéines, la longueur des séquences dépourvues de structures secondaires peut être plus importante : par exemple, le cytochrome C, environ 60% de la séquence n'est pas engagée dans une structure secondaire. L'essentiel de la chaine forme donc des segments qui s'enroulent de façon irrégulière et qui sont interrompu par quelques tronçons en hélices alpha.

Le cas extrême est l'élastine, protéine du tissu conjonctif, caractérisée par ses propriétés élastiques : il n'y a aucun segment qui ne possède de structure secondaire. La chaine polypeptidique est capable d'adopter de nombreuses conformations différentes qui lui confèrent son élasticité et sa souplesse (conformation en « pelote statistique »).

La structure tertiaire

Classiquement, on distingue 2 grandes catégories de protéines :

 

• Les protéines fibreuses
• Les protéines globulaires

Les protéines fibreuses ont des fonctions essentiellement architecturales. Ce sont des molécules allongées, qui ne présentent pas de repliements particuliers dans l'espace. L'organisation générale des protéines fibreuses dépend uniquement de leur structure secondaire, et à proprement parler, on peut dire que les protéines fibreuses ne possèdent pas de structure tertiaire.

Les protéines globulaires se replient dans l'espace à 3 dimensions afin d'acquérir leur conformation native fonctionnelle. Pour ces protéines, on dit qu'elles possèdent une structure tertiaire.

La structure tertiaire d'une protéine décrit la façon dont une protéine globulaire se replie dans l'espace à 3 dimensions et décrit l'ensemble des interactions susceptibles de s'établir entre les acides aminés de la chaine.

Les grosses protéines globulaires (+ de 200 acides aminés) sont souvent composées de plusieurs régions appelées domaines, qui se replient de façon indépendantes et qui constituent souvent des unités fonctionnelles. Par exemple, un domaine protéique peut contenir le site de fixation d'une enzyme, un autre un site de régulation… le tout sur la même protéine, grâce à un repliement indépendant.

Les domaines des protéines globulaires sont constituées par des combinaisons variées d'éléments de structure secondaire en hélice α et en feuillet plissé β. Il comporte aussi des zones dépourvues de structure secondaire. En moyenne, on estime que dans un domaine donné, environ 70% de la séquence est organisée en structure secondaire. Très souvent, les éléments de structure secondaire ne s'associent pas entre eux au hasard, mais s'associent pour former des motifs caractéristiques qu'on qualifie de structure super secondaire.

Dans la plupart des cas, dans les protéines globulaires, les interactions ne se font pas au hasard mais sont identiques au sein de la protéine, formant des structures super secondaires. Par exemple, le motif hélice/double hélice est une interaction entre deux hélices α. Autre motif : interaction entre feuillet béta et hélice alpha : forme un motif béta-alpha-béta. Autre exemple : structures en épingle à cheveux béta, structure en clef grecque : association de séquences qui adoptent une structure en feuillet béta.

D'une façon générale, le repliement des protéines globulaires est réalisé de façon très compacte, de façon à ne laisser ni vide, ni espace, ni molécule d'eau à l'intérieur de la protéine. L'intérieur d'une protéine globulaire est majoritairement composé de résidus hydrophobes qui s'organisent en structure secondaire et en structure super secondaire.

La formation de liaison H au sein des structures secondaires du cœur des protéines peuvent neutraliser les charges résiduelles des groupes peptidiques ce qui augmente d'une façon importante l'hydrophobicité des structures internes de la protéine (tout se passe comme si les protéines faisaient tout pour avoir une structure interne la plus hydrophobe possible). On pense aujourd'hui qu'une des principales forces qui gouverne le repliement des protéines est l'effet hydrophobe. Les acides aminés hydrophiles ont tendance à se répartir principalement à la surface de la protéine, et ils ont moins tendance à former des structures secondaires. Dans ces conditions, ces acides aminés auront tendance à constituer des zones de liaison flexibles qui relieront des structures super secondaires et des domaines compacts des protéines. La structure primaire conditionne la structure secondaire, des interactions entre éléments de structure secondaire favorisées par des liaisons hydrophobes sont responsables de l'acquisition de la structure tertiaire. La structure primaire dicte la structure secondaire qui dicte la structure tertiaire. Effectivement, il est possible, in vitro, d'obtenir le repliement correct d'une protéine en quelques dizaines de minutes. Le repliement in vivo d'une protéine est beaucoup plus rapide et nécessite en moyenne de quelques secondes à quelques minutes.

La différence est d'ordre cinétique entre le repliement qu'on peut obtenir in vitre et le repliement qui se produit in vivo. La raison de cette différence est qu'in vivo, l'acquisition de la structure tertiaire est facilitée par l'intervention de protéines spécialisées (enzymes) :

 

• La Protein Disulfure Isomérase (PDI) : catalyse la formation des ponts di-S et leur répartition correcte entre les différentes Cys d'une chaîne polypeptidique
• La Peptidyl Propyl Isomérase (PPI) : catalyse l'isomérisation Cis/Trans de la liaison peptidique au niveau de certains résidus Pro
• La Polypeptid Chain Binding Protein (PCBP) : se lient aux chaines polypeptidiques = chaperonines. Elles vont empêcher les interactions illicites entre séquences appartenant à des domaines différents (ce qui accélère le repliement).

Le fait que le repliement correct d'une protéine puisse être obtenu in vivo qu'in vitro (absence de facteurs enzymatiques), montre que la structure tertiaire correspond à l'état thermodynamique le plus stable que la chaine puisse adopter. Il ne faut pas pour autant considérer les protéines globulaires comme des protéines rigides, fixées dans un état figé. La fonction biologique de très nombreuses protéines globulaires s'accompagne souvent de modifications conformationnelles plus ou moins importantes.

La structure quaternaire

Beaucoup de protéines sont constituées de plusieurs chaines polypeptidiques indépendantes qui s'associent entre elles de façon non covalentes. Dans de telles protéines, chaque chaine polypeptidique (qualifiée de sous unité) adopte sa propre structure tertiaire de façon indépendante des autres sous unités. La fonction biologique de la protéine n'est acquise que quand l'édifice a toutes ses sous unités assemblées. La structure quaternaire décrit l'arrangement des sous-unités d'une protéine dans l'espace et l'ensemble des contacts et interactions entre ses sous-unités sans considération de leur géométrie interne. Les sous unités qui constituent la protéine quaternaire peuvent être identiques ou différentes. Leur nombre pourra être variable selon les protéines : l'hémoglobine (première protéine oligomérique dont la structure tridimensionnelle a été publiée en 1959 : 4 sous unités en 2 types = 2 sous unités alpha et 2 sous unités béta). Autre exemple : la RNA polymérase (dans E.Coli) : 6 sous unités = 2 alpha, 2 béta, une sigma et une oméga. Autre exemple : la rubisco (protéine la plus abondante sur Terre) : 16 sous unités = 8 grosses et 8 petites. Certaines protéines ont des organisations plus complexes, on hésite parfois à parler de structure quaternaire, on préférera utiliser le terme d'agrégat ou édifice protéique. On peut citer l'exemple des protéines ribosomales qui s'auto assemblent pour former les ribosomes. Si on enlève un polypeptide il n'est plus fonctionnel : c'est donc bien une structure quaternaire, mais on parle d'édifice protéique. La pyruvate déshydrogénase des mitochondries : comporte plus de 102 chaines polypeptidiques !

Les relations structure/fonction

Avertissement : les choses ne sont pas aussi simples qu'elles n'y paraissent !

En fonction du niveau où on les étudie, des conclusions différentes voir opposées pourront être formulées !

Observation 1 : l'anémie falciforme (drépanocytose) héréditaire, se traduit par une perte de fonction de l'hémoglobine due à une mutation ponctuelle qui conduit à la substitution d'un acide aminé par un autre en position Cis de la chaine béta.

Conclusion 1 : On peut ainsi en déduire que la fonction d'une protéine est étroitement dépendante de sa séquence en acides aminés et des modifications même minimes de cette séquence ont des répercutions profondes sur la fonction biologique. On connait de nombreux autres exemples où des modifications d'un ou plusieurs acides aminés de l'hémoglobine n'altèrent pas du tout la fonction de cette protéine : des protéines analogues (au niveau de leur fonction) dans des organismes éloignés phylogénétiquement peuvent avoir divergé fortement au cours de l'évolution en ce qui concerne leur séquence précise en AA.

Observation 2 : La séquence en AA de l'hémoglobine entre 2 organismes différents peut diverger de plus de 85%. Les structures tridimensionnelles, elles, restent identiques.

Conclusion 2 : La fonction d'une protéine dépend finalement moins de sa séquence précise en acides aminés que de son organisation tridimensionnelle (sa structure tertiaire). La séquence en acides aminés conditionne la façon dont la protéine se replie mais contrairement à ce que laissait supposer la première conclusion, des séquences différentes peuvent donner des structures identiques et donc des fonctions identiques. Ces deux conclusions sont exactes mais différentes : dans le premier cas, l'importance est donnée à la séquence précise alors que dans le second cas, elle est donnée à la forme précise de la molécule.

Par soucis de synthèse, on a tendance à vouloir trancher entre ces deux critères : séquence ou forme ? En disant que finalement, c'est bien la forme, la structure tridimensionnelle qui détermine la fonction d'une protéine. On peut donc dire que des protéines qui auront des fonctions différentes auront non seulement des séquences en AA différentes, mais surtout des conformations tridimensionnelles différentes. On connait de nombreux cas où des protéines présentant des structures tridimensionnelles proches ont pourtant des fonctions biologiques très différentes, plus précisément on trouve souvent des types communs de structure tertiaire dans des protéines à fonction totalement différent. Par exemple, un type commun de structure tertiaire : la Barrique α / β : 8 brins β disposés en « barrique », reliés par des régions en hélice α. On la trouve dans un domaine fonctionnel de la pyruvate kinase et la triose phosphate isomérase, glycolate oxydase, la rubisco…

Autre exemple : faisceau à 4 hélices, formé de 4 hélices α reliées entre elles par de petites régions dépourvues de structure tertiaire. On rencontre ainsi d'une façon générale des structures tridimensionnelles semblables dans des enzymes différentes. Finalement, la fonction biologique d'une protéine est déterminée non seulement par sa conformation tridimensionnelle générale, mais aussi par la nature et la position précise des acides aminés à l'intérieur de la structure. C'est la raison pour laquelle deux protéines de structure tertiaire comparable, pourront avoir des fonctions biologiques tout à fait différentes. Il faut donc toujours se garder de synthétiser et de généraliser trop rapidement des données ou des conclusions qui paraissent incontestables. La nature est toujours plus subtile et complexe qu'on ne peut l'imaginer.

Les principales fonctions

Les fonctions des protéines sont très variées, on les utilise comme base de la classification. On distingue 7 groupes : Les protéines enzymatiques : toute protéine catalysant les réactions biologiques Les Anticorps : protéines de défense Les protéines de transport (de molécules, ou d'ions divers) : on peut citer la myoglobine et l'hémoglobine, qui sont capables de fixer l'oxygène de façon réversible, mais aussi les transporteurs de lipides sanguins, les transporteurs membranaires (type pompe, canaux…) Les protéines régulatrices : elles participent à la régulation de processus cellulaires ou physiologiques extrêmement divers. On peut citer : des hormones protéiques, tous les récepteurs et protéines associées à ces récepteurs, les protéines impliquées dans des phénomènes de transduction cellulaire, toutes les protéines impliquées dans le contrôle de l'expression des gènes… Les protéines contractiles : impliquées dans les mouvements cellulaires. On peut citer : l'actine, myosine, tubuline Les protéines de réserve : servent de réserve en acide aminés, stockées massivement à une période du développement puis sont utilisées et hydrolysées massivement à une autre période du développement : l'ovalbumine des œufs, les grains d'aleurones dans l'albumen des graines (qui contiennent le gluten dans le blé…) Les protéines architecturales, qui participent à la construction et au maintient des structures cellulaires et tissulaires, mais aussi participent à la protection de certains types de cellules : la kératine, le collagène, la fibroïne (des toiles d'araignées)…

Quelques exemples

Les protéines architecturales

Elles sont impliquées dans l'acquisition de la forme des cellules, mais aussi le maintient de l'architecture des cellules et tissus. L'ensemble de ces protéines s'organise pour former des armatures filamenteuses, parfois flexibles, déformables mais parfois assez rigides, et peuvent former des revêtements de couverture qui peuvent être durs et solides. On distingue 2 catégories de protéines architecturales :

• Des protéines intracellulaires Elles sont solubles, et appartiennent à la catégorie des protéines globulaires même si elles ont une forme de filament. Les points commun de ces protéines est qu'elles sont organisées en fibres allongées possédant une forte résistance mécanique Des protéines extracellulaires Ce sont également des protéines globulaires solubles
• Les protéines extracellulaires Les plus connues sont la kératine α, le collagène, et l'élastine. La kératine et le collagène ont principalement une fonction de résistance, alors que l'élastine est impliquée dans l'élasticité générale des tissus. La kératine α : Chez les vertébrés, elle est le constituant principal des cheveux, de la laine, des plumes, des ongles, sabots, cornes… L'unité structurale de base de la kératine α est une structure à 4 brins en hélice α appelé « protofibrille de kératine ».

Chaque protofibrille de kératine est constituée de 2 hélices doubles brin qui s'enroulent l'une autour de l'autre avec un pas à gauche, pour former une sorte de superhélice qui va être stabilisée par des ponts disulfures. Ces kératines sont riches en Cys, donc beaucoup de possibilités de former des ponts disulfures. Ces protofibrilles s'assemblent par 8 pour former des structures plus longues appelées microfibrilles. Plus le nombre de ponts disulfure est important, plus le matériau sera rigide. La différence entre la laine et la corne réside dans le nombre de ces ponts disulfures qui stabilisent ces structures.

Les collagènes :

Ce sont les protéines prédominantes en masse chez les vertébrés (environ 25% de la masse protéique totale). Elles peuvent avoir des propriétés différentes en fonction de la façon dont s'assemblent leurs éléments constitutifs.

Par exemple, dans les os, les molécules de collagène vont avoir tendance à s'associer avec des cristaux de phosphates de calcium, et formeront des structures très dures. Dans les tendons, elles s'organisent de façon à former des fibres flexibles mais ayant une grande résistance à la traction. Dans la peau, et la paroi des vaisseaux sanguins, elles s'organisent pour former des réseaux croisés et lâches, qui vont permettre une certaine élasticité. Dans la cornée des yeux, le même collagène va s'organiser en un réseau cristallin parfaitement transparent.

L'unité structurale de base du collagène est la molécule de tropocollagène, qui présente une structure en triple hélice. Elles vont s'associer entre elles pour former des microfibrilles de collagène. Cette association s'effectue selon un schéma particulier : les molécules de tropocollagène se superposent sur ¼ de leur longueur. Ces microfibrilles s'associent pour former des fibres de collagène plus épaisses qui vont pouvoir s'organiser pour former soit des fibres allongées, soit des réseaux croisés (tissus conjonctifs…).

On pourrait s'attendre à ce que les différences de rigidité des différents collagènes soient liées à des différences dans le nombre de liaison covalentes stabilisant les molécules de tropocollagène, les microfibrilles de collagène et les fibres de collagène. Mais dans le collagène, il n'y a pas de Cys, donc pas de pont disulfure possible. Les liaisons croisées qui stabilisent plus ou moins la structure du collagène sont dues à un type très inhabituel de liaisons covalentes qui s'établissent entre chaines latérales de lysine.

Par exemple, un type de liaison courant dans le collagène est une liaison Lysine/Norleucine, qui s'établit entre une lysine normale et une lysine qui a perdu son extrémité aminoterminale de la chaine latérale. C'est une liaison covalente, qui intervient dans la stabilisation des molécules de tropocollagène et dans le maintient des unités de tropocollagènes les unes avec les autres. En définitive, comme pour la kératine, les caractéristiques finales des molécules de collagène dépendent en grande partie du nombre de liaison covalentes croisées. Un petit nombre de liaisons croisées donnera des molécules souples et déformables, alors qu'un grand nombre de liaison croisé donnera des molécules plus rigides, moins déformables et plus cassantes. L'élastine : C'est la principale protéine responsable de l'élasticité des tissus conjonctifs. Elle n'est pas une protéine fibreuse qui possèderait une structure secondaire rigide et fixe.

Au contraire, elle peut adopter un grand nombre de conformations différentes qui sont toutes également stables. Comme dans le cas du collagène, les molécules d'élastine sont unies entre elles par des liaisons de type Lysine/Norleucine pour former un réseau étendu qui pourra adopter une conformation étirée ou relâchée.

Les protéines intracellulaires

La spectrine :

Elle forme le squelette interne des hématies. C'est une protéine tétramérique formée de 2 sous unités α et de 2 sous unités β. Cette protéine est accrochée à la surface interne de la membrane plasmique des hématies, elle forme un squelette membranaire qui va assurer la résistance et la stabilité mécanique des hématies. Des squelettes membranaires comparables existent dans d'autres types cellulaires : pour des raisons de facilité technique, c'est la spectrine qui a été la mieux étudiée. Bien que ces deux types de sous unités aient des tailles et des séquences différentes (α : 260 kdaltons ; β : 225 kdaltons), leur conformation générale est comparable.

Ces molécules forment des structures allongées qui possèdent une organisation très particulière, dans la mesure où chaque chaine est constituée d'unités répétitives comportant 106 acides aminés qui se replient pour adopter une structure super secondaire formée par la superposition de 3 hélices α. Dans la conformation fonctionnelle de la spectrine, 2 chaines α et β s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une unité α/β hélicoïdale de 100nm de longueur. Sous la membrane de l'hématie, 2 unités α/β s'associent entre elles pour former des structures tétramériques (environ 200 nm de longueur). C'est l'assemblage de ces tétramères sous la membrane qui constituera le squelette cellulaire. Ces tétramères sont fixés par l'intermédiaire de protéines membranaires supplémentaires qui servent de protéines d'attachement qui viennent consolider le réseau (l'eukinine, la protéine 4.1…)

Les protéines de transort

Exemples de protéines de transport de l'oxygène Chez les vertébrés, ce transport est assuré par 2 types de protéines spécialisées : la myoglobine et l'hémoglobine, qui sont très étudiées. L'étude comparée de ces 2 molécules illustre bien les relations qui peuvent exister entre la fonction et la structure. Le but va être de souligner des similitudes et des différences structurales entre ces 2 protéines de façon à comprendre les répercutions qu'elles peuvent avoir au niveau fonctionnel. La myoglobine est une protéine globulaire localisée dans le muscle strié. Elle est monomérique, elle sert principalement de réserve d'oxygène facilement et immédiatement disponible après l'effort. L'hémoglobine est une protéine globulaire localisée dans les hématies, qui présente une structure tétramérique. Elle est impliquée dans le transport de l'oxygène des alvéoles pulmonaires vers les différents tissus de l'organisme. Elle permet aussi le transport d'autres molécules ou ions (CO2, H).

Dans les deux types, la capacité de fixer de l'oxygène est du à la présence d'hème qui représente un groupement prostatique (de nature non protéique, étroitement associé à une protéine de façon non covalente). La myoglobine a 1 molécule d'hème, elle fixera donc 1 molécule d'O2, alors que l'hémoglobine a 4 molécules d'hème, elle fixera donc 4 molécules d'O2.

L'hème est une molécule qui présente une structure plane, formée d'un cycle protoporphyrine (association de 4 noyaux pyrole). Au centre, un atome de fer à l'état ferreux (Fe2+). Il possède 6 sites de liaison, 4 d'entre eux sont liés aux 4 azotes du cycle protoporphyrine, les 2 autres se situent de part et d'autre du cycle (à l'avant et à l'arrière) et se lient respectivement à une histidine de la chaine polypeptidique et à l'oxygène.

La présence d'hème dans la myoglobine et hémoglobine est une similitude entre ces 2 molécules, mais ce n'est pas la seule : bien que les séquences en AA de la myoglobine et des sous unités de l'hémoglobine soient différentes, les structures tridimensionnelles sont quasiment identiques. Dans les 2 cas, la structure secondaire est constituée à 65% d'hélice alpha et ne comporte aucun feuillet plissé béta. Le repliement de la molécule se fait de telle sorte que l'on retrouve dans tout les cas 8 segments hélicoïdaux droits que l'on numérote de A à H. L'hème s'insère dans une sorte de crevasse où il est entouré de résidus hydrophobes à l'exception de 2 histidines (l'histidine F8 porté par le segment F et E7). Plus précisément, la 5e position de coordination de l'atome de fer était lié à l'histidine. C'est l'histidine qui est impliquée dans cette liaison, on l'appelle histidine proximale. L'autre histidine n'est pas liée à l'hème, on l'appelle histidine distale.

Ce type de structure est commun à tous les transporteurs d'O2 de vertébrés vus à ce jour. On le qualifie de repliement globinique. A quoi sert donc la partie protéique ? Quel est le rôle de la chaine polypeptidique ? Pourquoi son repliement est il toujours aussi précis ? L'hème, en solution (débarrassé de sa partie protéique) est un mauvais fixateur de l'oxygène, il a tendance à former des dimères, et le fer à s'oxyder rapidement. La partie protéique : Par les contraintes stériques qu'elle impose, empêche la dimérisation des molécules d'hème et permet au fer de rester à l'état réduit Un deuxième rôle : modifie profondément les propriétés de liaison de l'hème. En solution, l'hème a une affinité pour l'oxyde de Carbone près de 25 000 fois supérieur pour l'oxyde de carbone (CO) à celle qu'il a pour l'oxygène (O2). Quand il est au sein de la protéine, l'affinité de l'hème pour l'oxyde de carbone n'est plus qu'environ 250 fois supérieure à celle qu'il a pour l'oxygène. Dû à une modification de liaison entre l'atome de fer et l'oxyde de carbone. L'hème, en soit, n'est pas un bon transporteur d'oxygène. Associé à d'autres protéines, l'hème possède d'autres fonctions (transporteur d'électrons dans le cytochrome C…). Le repliement globinique permet de placer l'hème dans un environnement qui lui permet de transporter l'O2 de façon efficace et réversible. Le repliement globinique modifie l'hème pour en faire un bon transporteur d'oxygène. Quelle est alors la différence entre myo et hémoglobine ? Ces deux protéines diffèrent par leur formation native (mono/tétramérique).

On pourrait penser que leurs caractéristiques vis-à-vis de la fixation de l'oxygène sont comparables (Hb fixant 4 fois plus d'oxygène que Mb). Cette hypothèse est fausse : la fixation de l'oxygène présente des caractéristiques tout à fait différentes. On peut étudier cette capacité en mesurant la saturation des sites de fixation en fonction de la concentration en ligant. Pour un transporteur d'O2, le ligant est l'oxygène. Sa concentration s'exprime en pression d'oxygène. On peut ainsi comparer leurs courbes de dissociations. Deux différences essentielles : La Mb possède une affinité pour l'oxygène plus forte que l'Hb. Quelque soit la pression en oxygène, le pourcentage de sites saturés est toujours plus élevé pou Mb que pour Hb. La P50 de Mb est d'environ 1 Tor. Celle de Hb est de 26 torr.

La myoglobine n'a que très peu tendance à relarguer de l'oxygène. Elle le fera quand même mais seulement quand le manque d'o2 sera extreme : en cas d'effort musculaire intense. La Mb se comporte donc comme un reservoir d'oxygène utilisé seulement en cas d'urgence. L'hb avec sa P50 élevée, est capable de délivrer son O2 même dans des tissus où la pression en oxygène est élevée. La deuxième différence est révélée par l'allure générale des courbes.

Pour la Mb, courbe de dissociation est de type hyperbolique, celle de l'Hb est sigmoïdale. Pour Mb, les molécules d'oxygène se fixent indépendamment les unes des autres .

Pour Hb, la liaison de l'oxygène est coopérative : dans un tétramère d'Hb, la fixation d'une molécule d'oxygène sur une sous unité facilite la fixation d'autres molécules d'oxygène sur les autres sous unités du même tétramère. Inversement, la dissociation d'une molécule d'oxygène sur une sous unité va faciliter la dissociation des autres molécules d'oxygène des autres sous unités du même tétramère. L'affinité de Hb pour O2 est modifiée par la fixation de l'oxygène lui-même. Le role biologique de ce phénomène de coopérativité peut etre compris en étudiant les conditions de travail de Hb : elle doit se charger en O2 dans les alvéoles pulmonaires, où la pression en O2 est importante (100 Torr). Elle doit relarguer son O2 dans les différents tissus de l'organisme ou la pression est beaucoup plus faible (20 Torr).

La particularité essentielle de l'Hb est de pouvoir passer d'un état de forte affinité pour l'O2 à un état de faible affinité pour l'O2 en fonction de la pression en O2. Le passage de l'état oxygéné à l'état désoxygéné s'accompagne d'une modification de conformation de l'Hb. Des cristaux de désoxyhémoglobine éclatent quand ils sont exposés à l'oxygène, alors que des cristaux de désoxymyoglobine ne subissent aucun dégât. Des expériences plus récentes ont confirmé qu'effectivement l'oxy et la désoxyhémoglobine ont des structures différentes : l'oxyHb a une conformation d'état R (relâché), la désoxyHb est à l'état T (tendu). L'état T a une faible affinité pour l'oxygène, il est qualifié de tendu car c'est un état stabilisé par plusieurs liaisons ioniques entre chaines latérales d'AA. L'état R a une forte affinité pour O2, et possède beaucoup moins de liaisons ioniques. Le phénomène de coopérativité provient du fait que la fixation d'une molécule d'O2 sur une sous unité initialement de l'état T induit une modification de conformation de cette sous unité, qui à son tour provoque une modification de conformation des autres sous unités. Un tel type de comportement ou la fixation d'un ligand sur une sous unité d'un peptide modifie la conformation et les propriétés des autres sous unités, est qualifiée de transition allostérique. La fixation d'O2 induit une transition allostérique des sous unités alpha et béta de l'Hb.

C'est cette transition allostérique qui est responsable de l'effet de coopérativité. Dans la désoxyHb, l'atome de fer de l'hème n'est en fait pas exactement positionné dans le plan de la porfirine, mais légèrement décalé vers l'histidine proximale. Quand fixation de l'O2 : léger déplacement de l'atome de fer et le positionne sur l'axe de la porfirine, ce qui entraine l'histidine proximale qui va avec elle tirer légèrement l'hélice F qui a son tour entraine le déplacement des autres hélices de la chaine.

Ces déplacements vont conduire à une rupture des liaisons ioniques qui stabilisaient la forme T, ce qui permet le passage de l'ensemble de la molécule sous la forme R (forte affinité pour O2). En plus de l'O2, d'autres composés influencent le passage de la forme T à la forme R : on peut citer entre autre les ions H+ ; et le CO2. Dans les tissus à métabolisme actif, la présence de CO2 et d'acides faibles stimule la libération d'oxygène : baisse de l'affinité de l'Hb pour l'oxygène, donc favorise le passage de R à T. La baisse du pH va induire/favoriser la protonation de certains résidus basiques, ce qui va augmenter le nombre de charges positives et favoriser la formation de liaisons ioniques qui stabilisent la forme T. De la même façon le CO2 peut se combiner avec les extrémités N terminales des sous unités pour former des carbonates La Mb et Hb sont à la fois très proches et fondamentalement différentes.

Les propriétés caractéristiques de l'Hb sont liés à l'acquisition d'une structure quaternaire particulière dans laquelle chaque sous unité peut recevoir une information du milieu extérieur et communiquer cette information aux sous unités voisines. Les modifications induites de conformation qui en découlent vont alors permettre de modifier de façon fine les propriétés de liaison de la molécule. Pour la Mb, au contraire, la constitution monomérique est par définition incompatible avec une communication entre sous unités, et ne permettra qu'une réponse de type tout ou rien à la modification du milieu extérieur.