Chapitre 2 : Structure des Protéines
Introduction
Les protéines sont des macromolécules biologiques essentielles, constituées d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques. Elles jouent un rôle crucial dans presque tous les processus biologiques, y compris la catalyse enzymatique, le transport des molécules, la signalisation cellulaire, et la structure cellulaire. Comprendre la structure des protéines est fondamental pour comprendre leurs fonctions et mécanismes.
1. Acides Aminés : Classification et Propriétés
1.1. Définition et Structure Générale des Acides Aminés
Les acides aminés sont les monomères qui composent les protéines. Chaque acide aminé est constitué de :
- Un atome de carbone central appelé carbone α.
- Un groupe amino (–NH₂).
- Un groupe carboxyle (–COOH).
- Un atome d'hydrogène (–H).
- Une chaîne latérale variable (R) qui détermine les propriétés chimiques de l'acide aminé.
1.2. Classification des Acides Aminés
Les acides aminés peuvent être classés selon leurs chaînes latérales (R) en plusieurs catégories :
1- Acides Aminés Non Polaires et Hydrophobes :
- Glycine (Gly, G) : La plus simple, avec une chaîne latérale d'un atome d'hydrogène.
- Alanine (Ala, A) : Chaîne latérale méthyle.
- Valine (Val, V) : Chaîne latérale isopropyle.
- Leucine (Leu, L) et Isoleucine (Ile, I) : Chaînes latérales ramifiées.
- Méthionine (Met, M) : Contient du soufre dans une chaîne latérale méthylthioéther.
- Proline (Pro, P) : Chaîne latérale cyclique liée à l'atome d'azote.
- Phénylalanine (Phe, F) : Chaîne latérale phényl.
- Tryptophane (Trp, W) : Chaîne latérale indole.
2- Acides Aminés Polaires Non Chargés :
- Sérine (Ser, S) et Thréonine (Thr, T) : Contiennent des groupes hydroxyles.
- Cystéine (Cys, C) : Contient un groupe thiol.
- Tyrosine (Tyr, Y) : Contient un groupe phénol.
- Asparagine (Asn, N) et Glutamine (Gln, Q) : Contiennent des amides.
3- Acides Aminés Chargés Positivement (Basique) :
- Lysine (Lys, K) : Chaîne latérale amine.
- Arginine (Arg, R) : Chaîne latérale guanidinium.
- Histidine (His, H) : Chaîne latérale imidazole.
4- Acides Aminés Chargés Négativement (Acide) :
- Acide Aspartique (Asp, D) : Chaîne latérale carboxyle.
- Acide Glutamique (Glu, E) : Chaîne latérale carboxyle.
1.3. Propriétés des Acides Aminés
- Propriétés Acido-Basiques : Les acides aminés possèdent à la fois des groupes acides (carboxyle) et basiques (amino), ce qui leur permet d'agir comme des amphotères. En solution aqueuse, ils peuvent exister sous forme de zwitterions, où les groupes carboxyle sont déprotonés (–COO⁻) et les groupes amino sont protonés (–NH₃⁺).
- Hydrophobie/Hydrophilie : Les acides aminés non polaires sont hydrophobes, préférant éviter l'eau et s'associer entre eux, tandis que les acides aminés polaires sont hydrophiles et interagissent favorablement avec l'eau.
- Point Isoélectrique (pI) : Le pI est le pH auquel l'acide aminé a une charge nette nulle. Pour un acide aminé neutre, il est généralement situé entre le pKa du groupe carboxyle et celui du groupe amino. Pour les acides aminés chargés, il dépend des pKa des chaînes latérales.
2. Structure Primaire des Protéines
La structure primaire d'une protéine est la séquence linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique, définie par l'ordre des acides aminés tels qu'ils sont codés par les gènes. Cette séquence est déterminée par des liaisons peptidiques entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine du suivant, libérant une molécule d'eau.
2.1. Formation des Liaisons Peptidiques
Les liaisons peptidiques sont des liaisons covalentes formées lors de réactions de condensation entre les groupes carboxyle et amine des acides aminés adjacents. Elles sont rigides et planares en raison de la délocalisation des électrons de la double liaison partielle, limitant ainsi la rotation autour de la liaison C-N.
3. Structures Secondaire, Tertiaire et Quaternaire des Protéines
3.1. Structure Secondaire
La structure secondaire se réfère à la disposition régulière et répétitive des segments de la chaîne polypeptidique, stabilisée principalement par des liaisons hydrogène entre les groupes carbonyle et amine du squelette polypeptidique. Les deux principaux motifs de structure secondaire sont :
- Hélice α : Une structure en spirale droite où chaque acide aminé forme une liaison hydrogène avec le groupe carbonyle de l'acide aminé situé quatre résidus en amont.
- Feuillet β : Une structure en feuillets où les segments polypeptidiques sont alignés parallèlement ou antiparallèlement, formant des liaisons hydrogène entre les groupes carbonyle et amine des chaînes adjacentes.
3.2. Structure Tertiaire
La structure tertiaire est la conformation tridimensionnelle globale d'une chaîne polypeptidique unique. Elle résulte des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés et est stabilisée par divers types de liaisons et interactions :
- Liaisons Hydrogène : Entre chaînes latérales polaires.
- Interactions Hydrophobes : Entre chaînes latérales non polaires, souvent enterrées à l'intérieur de la protéine.
- Ponts Disulfure : Liaisons covalentes entre deux résidus cystéine.
- Liaisons Ionique : Entre chaînes latérales chargées.
3.3. Structure Quaternaire
La structure quaternaire est l'organisation de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) en une seule protéine fonctionnelle. Les interactions entre les sous-unités sont similaires à celles de la structure tertiaire. La structure quaternaire peut être homo-oligomérique (identiques) ou hétéro-oligomérique (différentes).
4. Techniques de Détermination des Structures Protéiques
4.1. Cristallographie aux Rayons X
La cristallographie aux rayons X est une méthode puissante pour déterminer la structure atomique des protéines cristallisées. Les étapes incluent :
- Cristallisation : Obtenir des cristaux de protéines de haute qualité.
- Diffraction des Rayons X : Les cristaux sont exposés à des rayons X, et les angles de diffraction sont mesurés.
- Analyse des Données : Les motifs de diffraction sont analysés pour reconstruire la densité électronique, permettant la modélisation de la structure atomique.
4.2. Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)
La RMN permet de déterminer la structure des protéines en solution, en analysant les interactions magnétiques des noyaux atomiques. Les techniques incluent :
- RMN 1D et 2D : Pour obtenir des informations sur les distances interatomiques.
- NOE (Nuclear Overhauser Effect) : Pour déterminer les distances spatiales entre les atomes.
- Couplages Scalaires : Pour obtenir des informations sur les angles de torsion.
Conclusion
La compréhension des structures des protéines, de la séquence primaire à la conformation quaternaire, est essentielle pour comprendre leurs fonctions biologiques et mécanismes d'action. Les techniques de cristallographie aux rayons X et de RMN sont des outils clés pour révéler les structures tridimensionnelles des protéines, ouvrant la voie à de nombreuses découvertes en biochimie et en biologie moléculaire.