Biochimie des protéines

Qu'est-ce-qu'une protéine ?

Comme nous l'avons vu, les protéines sont des polymères constitués d'unités répétitives appelées acides aminés.

Les acides aminés

Les acides aminés sont des molécules organiques dotées d'une structure spécifique. Ils contiennent tous les éléments suivants :

• Un groupe carboxyle \( -COOH \) , composé d'un groupe carbonyle \( (C=O) \) et d'un groupe hydroxyle \( (-OH) \) .
• Un groupe amine \( (-NH_2) \) .
• Un atome de carbone central.
• Un groupe organique \( R \) .

Fig. 1- Un acide aminé.

Nous représentons les acides aminés soit par une seule lettre majuscule, soit par une abréviation de trois lettres. Par exemple, l'acide aminé valine est représenté soit par un V majuscule, soit par les trois lettres Val. Voici, représenté ci-dessous. Nous avons mis en évidence son groupe R en rose.

Fig. 2- L'acide aminé valine.

Liaison peptidique

Les acides aminés s'unissent pour former une protéine grâce à une liaison peptidique. Celle-ci se forme lors d'une réaction de condensation.

Pour former une liaison peptidique, le groupe amine d'un acide aminé réagit avec le groupe carboxyle d'un autre acide aminé, comme illustré ci-dessous. Remarque : le groupe amine perd un atome d'hydrogène et le groupe carboxyle perd à la fois un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène. Ils s'assemblent pour former une molécule d'eau.

Fig. 3- Deux acides aminés s'unissent par une liaison peptidique, libérant ainsi de l'eau.

Lorsque deux acides aminés seulement s'unissent, on appelle la molécule résultante un dipeptide. Mais le processus ne s'arrête pas là - il se répète pour former une longue chaîne polypeptidique composée de plusieurs acides aminés.

Fig. 4- Une chaîne polypeptidique.

Fig. 5- Une représentation visuelle de la protéine TRP-cage.

En résumé, les protéines sont de longues molécules polymères composées de monomères plus petits appelés acides aminés, reliés entre eux par une liaison peptidique. Cette liaison peptidique est formée par une réaction de condensation qui libère de l'eau au cours du processus.

Acides aminés et protéines

Les acides aminés sont des composés organiques contenant deux groupes fonctionnels, à savoir les groupes aminés \( (-NH_{2}) \) et carboxyliques \( (-COOH-) \) et une chaîne latérale organique. Les vingt acides aminés différents sont utilisés pour construire une protéine. Une protéine peut contenir une ou plusieurs chaînes d'acides aminés appelées polypeptides. La séquence de la chaîne d'acides aminés permet au polypeptide de se plier en une forme biologiquement active.

Elle est responsable de la décomposition des aliments, de la réparation des tissus corporels et de la croissance de l'organisme. Il est l'élément constitutif du corps et est également responsable du maintien de son pH. Et stocke l'azote dans notre corps. L'asparagine et la glutamine sont des dérivés d'acides aminés présents dans l'organisme et chargés de conserver l'azote dans notre corps¹ .

Rôle des protéines

Les protéines sont extrêmement importantes car elles sont les molécules responsables de la plupart des besoins fonctionnels et des propriétés de nos cellules. Voici quelques-unes des rôles des protéines :

• Les "enzymes" sont des catalyseurs biologiques, ce qui signifie qu'elles accélèrent le rythme de la réaction. Elles sont responsables du métabolisme cellulaire, ce qui est une autre façon de dire toutes les réactions chimiques à l'intérieur d'une cellule. Par exemple, les enzymes contribuent à faciliter la respiration dans les mitochondries. Nous examinerons plus spécifiquement les enzymes plus loin.
• Les immunoprotéines font partie du "système immunitaire" et sont chargées de nous protéger contre les agents pathogènes.
• Les hormones sont des substances chimiques libérées par des glandes et acheminées vers des zones cibles ailleurs dans le corps. Elles aident à coordonner les fonctions corporelles telles que le cycle menstruel et le rythme circadien.

Fig. 6- Représentation d'une protéine.

Ci-dessus, nous avons montré la représentation d'une protéine. Tu as remarqué qu'elle est repliée en une forme 3D compliquée. Nous allons maintenant examiner les différents niveaux de structure des protéines qui sont à l'origine de ce pliage complexe.

Structure des protéines

La structure d'une protéine détermine sa forme et sa fonction et est due à la combinaison spécifique d'acides aminés.

Nous pouvons diviser la structure des protéines en quatre niveaux différents. Ces niveaux sont les suivants

• Primaire
• Secondaire
• Tertiaire
• Quaternaire

Les structures primaires, secondaires et tertiaires n'impliquent qu'une seule chaîne polypeptidique, mais la structure quaternaire implique deux chaînes polypeptidiques ou plus. Commençons par examiner la structure primaire d'une protéine.

Structure primaire

Fig. 7- La structure primaire d'une protéine.

Les protéines sont constituées d'une combinaison unique d'acides aminés. C'est ce qu'on appelle sa structure primaire. L'ADN d'une cellule détermine la structure primaire d'une protéine en donnant l'ordre au ribosome d'assembler certains acides aminés dans une séquence spécifique. La structure primaire est spécifique à chaque protéine ; une altération de la séquence des acides aminés peut affecter la fonction de la protéine. Tu verras pourquoi c'est le cas lorsque nous explorerons la structure secondaire et tertiaire des protéines.

Structure secondaire

Nous savons que la structure primaire d'une protéine est son ordre et sa séquence d'acides aminés. Ces acides aminés s'assemblent en une longue chaîne. Or, certaines parties de la chaîne protéique peuvent se plier les unes aux autres et sont maintenues en place par des liaisons hydrogène entre certains des acides aminés individuels.

Fig. 8- Hydrogène liaison entre deux parties d'une chaîne polypeptidique.

Deux formes de structure secondaire peuvent se former dans les protéines :

• l'hélice alpha (α-hélice)
• Feuille bêta-plissée (feuille β-plissée)

Hélice alpha

Une hélice alpha a la forme d'un ressort faiblement enroulé. Cette structure apparaît lorsque des liaisons hydrogène se forment entre un acide aminé sur quatre, entre l'oxygène du groupe carboxyle d'un acide aminé et l'hydrogène du groupe amine de l'autre acide aminé.

Feuille bêta-plissée

Une feuille bêta-plissée a la forme d'une feuille de papier pliée. Elle se produit lorsqu'une protéine se plie de telle sorte que deux parties de la chaîne polypeptidique sont parallèles l'une à l'autre, ce qui permet la formation de liaisons hydrogène entre des acides aminés parallèles opposés.

Fig. 9- Types de structures secondaires des protéines, hélice alpha et feuille plissée bêta.

Qu'est-ce qu'une structure tertiaire des protéines ?

Au début de ce résumé, nous avons mentionné que tous les acides aminés contiennent des groupes R. Il s'agit de leurs chaînes latérales. Ce sont leurs chaînes latérales et elles sont différentes pour chaque acide aminé. Ils confèrent à l'acide aminé certaines propriétés. Par exemple, certains acides aminés sont hydrophobes parce que leurs groupes R ne contiennent que des atomes de \( C \) et de \( H \) , tandis que d'autres acides aminés sont hydrophiles parce que leurs chaînes latérales contiennent d'autres éléments comme \( O \) ou \( N \) . Les interactions entre les chaînes latérales - les groupes R - maintiennent une protéine dans sa structure tertiaire. Elles sont responsables de sa forme générale et donc de sa fonction.

Tu peux trouver quelques types de liaisons différentes dans la structure tertiaire d'une protéine. Ils dépendent des groupes R des acides aminés présents dans la protéine et incluent :

• les liaisons hydrogène
• Les ponts disulfures
• Interaction ionique
• Interaction hydrophobe

Pour commencer, examinons les liaisons hydrogène.

Les liaisons hydrogène

Nous avons vu les liaisons hydrogène comme faisant partie de la structure secondaire d'une protéine, mais elles peuvent également se trouver dans sa structure tertiaire. Les liaisons hydrogène sont un type de force intermoléculaire qui se forme entre des groupes R fortement polaires. Il s'agit du type de liaisons le plus faible qui se forme dans la structure tertiaire d'une protéine. Cependant, elles sont les plus courantes car elles se forment entre une grande variété de groupes R, tels que les groupes \( -OH \) et \( -COOH \) . Des exemples d'acides aminés polaires qui peuvent former des liaisons hydrogène sont la sérine (Ser) et la thréonine (Thr).

Fig. 10- Liaisons hydrogène.

Ponts disulfures

Les ponts disulfures sont également connus sous le nom de liaisons disulfures. Ces liaisons sont le type le plus fort de liaison de structure tertiaire que l'on trouve dans une protéine, mais elles sont moins fréquentes - elles ne peuvent se former qu'entre deux molécules de cystéine. Les ponts disulfures peuvent être rompus par des réactions de réduction.

Fig. 11- Un pont disulfure.

Interaction ionique

Certains groupes R contiennent des atomes ou des groupes qui peuvent être chargés. Il s'agit notamment de groupes amine \( (-NH_{2}) \) et de groupes carboxyle \( (-COOH) \) chargés négativement. Ceux-ci peuvent former respectivement des groupes amine chargés positivement \( (-NH^{+}_{3} ) \) et des groupes carboxylate chargés négativement \( (-COO^{-} \) ). Des liaisons ioniques fortes se forment alors entre ces groupes. Des exemples d'acides aminés contenant des groupes chargés supplémentaires dans leurs chaînes latérales sont l'asparagine et la glutamine. Voici l'asparagine, avec son groupe amine supplémentaire surligné en sarcelle.

Fig. 12- Asparagine.

Les liaisons ioniques sont plus fortes que les liaisons hydrogène, mais elles ne sont pas aussi courantes, car seuls quelques acides aminés ont des groupes R chargés. Elles sont rompues par les changements de pH, car les groupes R peuvent interagir avec l'acide ou la base environnante dans l'environnement plutôt qu'entre eux.

Fig. 13- L'acide glutamique possède un groupe carboxylate supplémentaire \( COO^- \) qui fait partie de son groupe R. L'ajout d'acide glutamique à un autre acide ajoute un ion hydrogène sur les deux groupes carboxylates de la molécule, neutralisant ainsi leur charge.

Interaction hydrophobe

Le dernier type de liaison que nous allons examiner est l'interaction hydrophile et hydrophobe.

Certains groupes R contiennent des groupes hydrophobes, comme de longues chaînes de carbone ou des cycles benzéniques. Ils s'attirent mutuellement et repoussent à la fois les groupes R hydrophiles et les molécules d'eau. Pour cette raison, les groupes hydrophobes ont tendance à s'enrouler ensemble à l'intérieur des protéines, où ils peuvent former une petite bulle qui exclut l'eau. En revanche, les groupes hydrophiles ont tendance à être orientés vers l'extérieur des protéines, où ils peuvent former des liaisons hydrogène avec l'eau présente dans le milieu environnant.

Les interactions hydrophobes sont faibles et facilement brisées. On les trouve dans les protéines globulaires, que nous allons examiner dans une seconde.

C'est tout pour les structures tertiaires - passons à la structure quaternaire.

C'est quoi la structure quaternaire d'une protéines ?

Toutes les protéines n'ont pas une structure quaternaire, mais certaines en ont une. Chaque chaîne polypeptidique de la structure quaternaire est appelée sous-unité de la protéine et chaque sous-unité possède ses propres structures primaires, secondaires et tertiaires. Les sous-unités s'assemblent pour former la structure tertiaire de la protéine et sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène et des forces de van der Waals.

Biochimie des protéines

Comme nous l'avons vu précédemment, les protéines sont composées de \( 22 \) acides aminés naturels différents. En d'autres termes, il existe \( 22 \) acides aminés protéinogènes. Chaque acide aminé possède un groupe R unique. Les chaînes polypeptidiques se replient dans leur forme 3D grâce aux diverses interactions, et donc aux liaisons qui se forment, entre ces différents groupes R.

Prends un moment pour réfléchir aux implications de ce phénomène. La plupart des protéines comptent des centaines d'acides aminés. Cela nous donne des millions de combinaisons différentes possibles d'acides aminés. Chaque combinaison unique fait que la protéine se replie d'une manière différente et unique, ce qui nous donne des millions de structures et de formes 3D différentes au sein des protéines. C'est pourquoi les protéines jouent tant de rôles différents dans la vie, des enzymes aux matériaux structurels en passant par les molécules de signalisation.

Exemple de protéines

Le premier exemple sera sur les protéines globulaires.

Qu'est-ce qu'une protéine globulaire ?

Les protéines globulaires ont de nombreuses fonctions dans la cellule et un large éventail de structures. Cependant, toutes les protéines ont en commun une forme globulaire.

La dernière chose que nous allons examiner aujourd'hui, ce sont les "enzymes". Il s'agit de molécules biologiques extrêmement importantes. Sans enzymes, tu ne pourrais pas boire d'alcool, digérer les aliments, produire de l'ATP ou même répliquer ton ADN !

Enzymes

Comment les enzymes fonctionnent-elles exactement ? Explorons-le maintenant.

Site actif

Comme nous l'avons dit plus haut, les enzymes sont des protéines, ou plus précisément des protéines globulaires. Nous le répétons encore une fois : les protéines ont toutes des formes spécifiques et uniques dues aux interactions complexes entre leurs groupes R, déterminées par leur ordre et leur séquence d'acides aminés. Les enzymes ne sont pas différentes. En fait, leur forme unique est ce qui rend les enzymes si efficaces dans leur travail.

Toutes les enzymes contiennent un site actif. Il s'agit d'une fissure ou d'une crevasse dans la molécule, causée par la façon dont la chaîne polypeptidique se plie dans sa forme 3D. C'est là que la réaction a lieu. D'autres molécules ayant la bonne forme s'insèrent dans le site actif et forment des liaisons temporaires avec l'enzyme, ce qui permet à la réaction de se produire.

Fig. 15- Action de l'enzyme.

Parce que les molécules qui réagissent, appelées substrat, doivent avoir la bonne forme pour entrer dans le site actif de l'enzyme, l'action de l'enzyme est connue comme l'hypothèse de la "serrure et de la clé". Tout comme les serrures sont spécifiques à chaque porte, les sites actifs sont spécifiques à chaque enzyme et seuls les substrats ayant une forme complémentaire peuvent s'y insérer. Tout comme une clé assortie !

Chiralité

Tu te souviens peut-être que les acides aminés forment des isomères optiques. Il s'agit de molécules miroir non superposables ayant la même formule structurelle mais une disposition spatiale différente des atomes. Pour être plus précis, les isomères optiques diffèrent par la disposition des groupes autour d'un atome de carbone central. On appelle les isomères optiques des énantiomères et on dit que ces molécules présentent une chiralité.

Presque tous les acides aminés présents dans la nature sont un type particulier d'énantiomère, appelé énantiomère (-). Ce sont des molécules chirales. Comme les enzymes - comme toutes les protéines - sont constituées d'acides aminés, les enzymes et leurs sites actifs sont également chiraux. Cela signifie que si le substrat qui réagit est également chiral, seul un énantiomère de la paire pourra être placé dans le site actif de l'enzyme. L'enzyme est stéréospécifique.

C'est comme si tu essayais de mettre ton pied droit dans ta chaussure gauche. Tu auras beau essayer, tu ne seras jamais à l'aise. Bien que tes pieds gauche et droit soient presque identiques, ils sont des images miroir l'un de l'autre - ils ne sont pas tout à fait les mêmes. Ton pied gauche ne rentrera jamais que dans ta chaussure gauche, et ton pied droit dans ta chaussure droite. Il en va de même pour les substrats et les enzymes : seul un énantiomère peut entrer dans le site actif de l'enzyme.

Dénaturation

Les enzymes sont dénaturées par des températures élevées et des changements de pH. Cela signifie qu'elles cessent de fonctionner - elles ne peuvent catalyser aucune réaction. En effet, les variations extrêmes du pH et les températures élevées modifient la forme du site actif de l'enzyme en affectant les liaisons au sein de la protéine. Le site actif n'est plus spécifique au substrat et les deux ne peuvent plus s'associer.

Les médicaments comme inhibiteurs d'enzymes

Plusieurs médicaments nous sont utiles car ils agissent comme des inhibiteurs d'enzymes. Ils le font notamment en se liant au site actif de l'enzyme, empêchant le substrat de se lier à l'enzyme. Ces médicaments peuvent agir ainsi parce qu'ils ont une structure très similaire à celle du substrat et qu'ils s'adaptent donc au site actif.

Fig. 16- Médicaments inhibiteurs d'enzymes.