1.Organisation structurale des protéines
A/La conformation spatiale des protéines
1-Les différents niveaux de structure
Pour faciliter l’étude, on distingue quatre niveaux de structure au sein d'une molécule protéique.
-structure primaire(I) unidimensionnelle
-Les structures secondaires(II) , tertiaire (III) et quaternaire(IV) qui réalisent la conformation spatiale des protéines.
Chacun de ces niveaux de structure dépend du précédent .
1. Définition
La conformation spatiale des protéines désigne la structure d'ensemble de la macro-molécule dans l'espace a la suite du repliement de sa chaîne polypeptidique sur elle même. Cette organisation spatiale est imposée par des contraintes thermodynamiques et est maintenue grâce a des liaisons stabilisatrices.
2.Conditions d'établissement:
a. Contraintes thermodynamiques
Ces contraintes sont représentées par:
-les distances interatomiques
C-C:1,59A,C-N:1,47A,C=O:1,23A,N-H:1,00A
-Les angles valenciels:
O-C-N=122°,C-N-C=120°,C-C-N=117°
-l'encombrement moléculaire des radicaux(gène stérique)
-l’interaction entre certains groupements chimiques appartenant a des éléments voisins
-De plus ,l'existence de certains acides aminés telle que la proline , dont le repliement particulier de la structure de la chaîne.
Toutes ces contraintes empêchent la chaîne de rester linéaire et l'obligent a s'organiser dans l'espace pour avoir le niveau énergétique le plus bas correspondant a la conformation thermo-dynamiquement la plus stable.
b. liaisons stabilisatrices
Un certain nombre de liaisons interviennent pour stabiliser la conformation des protéines
b.1 une liaison de nature covalente: liaison disulfure ou pont disulfure(S-S)(50-100al/molle) qui s'établit entre deux résidu de cystéine de la ou des chaîne(s) polypeptidique(s)
En effet selon que les deux résidus cystéine appartiennent à la même chaîne polypeptidique ou a deux chaines polypeptidiques différentes on parle respectivement d'un pont nitra-chaîne avec formation de boucle et d'un pont inter-chaines permettant des associations multi caténaires
Cette liaison disulfure très stable est résistante aux conditions habituelles de dénaturation des protéines. Cependant l'acide per formique oxyde les liaisons S-S et le B mercaptoéthanol réduit ces liaisons avec production de deux résidus de cystéine. Ainsi ces réactifs peuvent servir a séparer les chaînes polypeptidiques sans affecter la structure primaire.
b.2 plusieurs liaisons de faible énergie(1-7Kcal/molle).Ce sont des liaisons de nature non covalente qui contribuent a la stabilisation des molécules protéiques
-liaison hydrogène(5kcal/mole2,8A).
Il s'agit d'une interaction de nature électrostatique qui s'établit entre un atome d'hydrogène lié par covalence a un atome électronégatif tel que O,N ou S et possédant une légère charge et un atome voisin également électronégatif possédant une paire d'électrons non partagée avec une charge négative.
La liaison hydrogène est une liaison de faible énergie symbolisée par une ligne en pointillée. Elle peut s'établir:
*Entre les>C=O et les >N=H des différentes liaisons peptidiques
*Entre certains radicaux de résidus d'acides aminés exemple
* deux résidus d'histidine-....N-
*le groupement phénolique de la tyrosine et le groupement carboxylique de l'acide glutamique ou l'acide aspartique
*un groupement carboxylique et un groupement amide d'un acide aminé amidé ( glutamine , asparagine)
*deux groupements amides etc...
-Liaison ionique ou électrovalencielle ou pont salin(4,5K cal/molle)
Elle est utilisée par l'attraction entre deux groupements ioniques de signe opposée un groupe carboxylique chargé négativement(chaîne latérale des acides aspartiques et glutamique) et un groupe basique chargé positivement(chaîne latérale de l'arginine de la lysine ou de l'histidine).Sa stabilité est modifiée par la variation du PH-
-Liaison hydrophobe de Kauzmann (2K cal /molle)
Il existe dans les protéines des radicaux apolaires comme le –CH2 et le –CH 3 de la valine ou de la leucine, ou benzénique de la phénylalanine. Ces groupements qui n’ont aucune charge permanente ne sont pas solubles dans l’eau. Il existe cependant une force d’attraction entre eux. On appelle cette interaction une liaison hydrophobe, pour mettre en évidence le fait que le rapprochement des radicaux est du à leur exclusion par l’eau. (Les chaînes latérales hydrophobes ont tendance à se rapprocher et à entrer en contact en chassant les molécules d’eau voisines). Cette liaison est dissociée par le froid, les agents tensioactifs : les solvants organiques et les détergents comme le désoxycholate (DOC) et le dodécylsulfate de sodium (SDS)
-Interaction de Van Der Waals (1Kcal/molle)
Elle résulte de la création, dans les atomes de deux molécules voisines, de dipôles induits provenant d’une déformation transitoire des nuages électroniques qui vibrent en phase. Ces forces ne se manifestent qu’à des distances très faibles (environ 5 A°) et nécessitent pour être efficaces, l’existence de surfaces complémentaires et un nombre très important de liaisons. La rupture de ces liaisons par simple chauffage, agitation de pH, défait la conformation de la molécule et entraine la perte de son activité physiologique.
Les liaisons de faible énergie interviennent également dans d’autres phénomènes biologiques telle que la formation du complexe ‘enzyme-substrat’.
B- Les différents niveaux de conformation
1-Structure secondaire :
a-définition :
La structure secondaire décrit le premier degré de repliement de la chaîne polypeptidique et dépend de la conformation des liaisons peptidiques successives. Elle est stabilisée par des forces non covalentes, notamment des liaisons H.
b-Différentes conformations secondaires des protéines :
Pauling et Corey étudièrent, en s’aidant de modèles spécialement construits, les différentes possibilités d’enroulement d’une chaîne peptidique, en fonction des contraintes imposées par les liaisons peptidiques et leurs dimensions spécifiques. Ces travaux leurs ont permis d’établir sur des modèles simples comme le tri peptide Glycyl-Glycyl-Glycine, des périodes d’identité (PI) de :
-7,23 A° entre les résidus orientés de manière similaire (R1 et R3 °
-3,60 A° entre deux résidus en trans (R1 et R2)
Ce modèle théorique ne correspond toutefois pas à la réalité. En effet des études par diffraction aux rayons X effectués sur de nombreuses protéines ont abouti à la description de plusieurs PI (R1-R3) correspondent à différentes types de conformations secondaires.
b 1)- Structure en feuillet beta plissé
Dans une telle structure, il existe un plissement dans la chaîne au niveau du carbone alfa qui appartient à deux plans différents ; dans l’un de ces plans est situé le groupe c=o, dans l’autre le groupe N-H en position alfa par rapport au carbone. Le résidu R est placé perpendiculairement au plan. Cette structure peut être représentée par une succession de toits dont les arêtes sont occupées par les carbones alfa et les surfaces par la liaison peptidique coplanaire. Les radicaux se placent successivement au dessus et au dessous des toits.
-Liaison hydrophobe de Kauzmann (2K cal /mole)
Il existe dans les protéines des radicaux apolaires comme le –CH2 et le –CH 3 de la valine ou de la leucine, ou benzénique de la phénylalanine. Ces groupements qui n’ont aucune charge permanente ne sont pas solubles dans l’eau. Il existe cependant une force d’attraction entre eux. On appelle cette interaction une liaison hydrophobe, pour mettre en évidence le fait que le rapprochement des radicaux est du à leur exclusion par l’eau. (Les chaînes latérales hydrophobes ont tendance à se rapprocher et à entrer en contact en chassant les molécules d’eau voisines). Cette liaison est dissociée par le froid, les agents tensioactifs : les solvants organiques et les détergents comme le ésoxycholate (DOC) et le dodécylsulfate de sodium (SDS)
-Interaction de Van Der Waals (1Kcal/molle)
Elle résulte de la création, dans les atomes de deux molécules voisines, de dipôles induits provenant d’une déformation transitoire des nuages électroniques qui vibrent en phase. Ces forces ne se manifestent qu’à des distances très faibles (environ 5 A°) et nécessitent pour être efficaces, l’existence de surfaces complémentaires et un nombre très important de liaisons. La rupture de ces liaisons par simple chauffage, agitation de pH, défait la conformation de la molécule et entraîne la perte de son activité physiologique.
Les liaisons de faible énergie interviennent également dans d’autres phénomènes biologiques telle que la formation du complexe ‘enzyme-substrat’.
B- Les différents niveaux de conformation
1-Structure secondaire :
a-Définition :
La structure secondaire décrit le premier degré de repliement de la chaîne polypeptidique et dépend de la conformation des liaisons peptidiques successives. Elle est stabilisée par des forces non covalentes, notamment des liaisons H.
b-Différentes conformations secondaires des protéines :
Pauling et Corey étudièrent, en s’aidant de modèles spécialement construits, les différentes possibilités d’enroulement d’une chaine peptidique, en fonction des contraintes imposées par les liaisons peptidiques et leurs dimensions spécifiques. Ces travaux leurs ont permis d’établir sur des modèles simples comme le tri peptide Glycyl-Glycyl-Glycine, des périodes d’identité (PI) de :
-7,23 A° entre les résidus orientés de manière similaire (R1 et R3 °
-3,60 A° entre deux résidus en trans (R1 et R2)
Ce modèle théorique ne correspond toutefois pas à la réalité. En effet des études par diffraction aux rayons X effectués sur de nombreuses protéines ont abouti à la description de plusieurs PI (R1-R3) correspondent à différentes types de conformations secondaires.
b 1)- Structure en feuillet beta plissé
Dans une telle structure, il existe un plissement dans la chaine au niveau du carbone alfa qui appartient à deux plans différents ; dans l’un de ces plans est situé le groupe c=o, dans l’autre le groupe N-H en position alfa par rapport au carbone. Le résidu R est placé perpendiculairement au plan. Cette structure peut être représentée par une succession de toits dont les arètes sont occupées par les carbones alfa et les surfaces par la liaison peptidique coplanaire. Les radicaux se placent successivement au dessus et au dessous des toits.
La périodicité pour ce motif secondaire est 7 A° dans la protéine fibroïne de la soie et de 6,5 A° la beta kératine des cheveux.
Les acides aminés à chaine ramifiée et aromatique ainsi que la glycine sont ceux qui contribuent le plus à la formation des feuilles plissées.
b-2)-Structure en hélice alfa
La structure en hélice alfa conserve la règle de planéité des liaisons peptidiques : celles-ci s’enroulent simplement autour de l’axe de l’hélice en lui restant parallèles. Les paramètres de cette hélice ont pu être mesurés sur des modèles moléculaires, le pas (distance entre deux spires successives) est de 5,4 A° et chaque tour de spire comprend 3,6 résidus d’acide aminé.
L’hélice peut être droite ou gauche selon le sens de l’enroulement ; avec les acides aminés de la série L, elle est plus fréquemment droite. La structure en hélice alfa a été retrouvée dans l’alfa-kératine des cheveux et de la laine. La périodicité mesurée est d’ailleurs plus faible (5,1 A°)
Cette conformation est stabilisée essentiellement par des liaisons H qui forment des ponts intrachaines parallèles à l’axe de l’hélice, établis entre le –CO d’un acide aminé et le –NH du quatrième acide aminé situé plus bas. Certains acides aminés favorisent la constitution d’une hélice alfa tels que l’acide glutamique l’alanine et la leucine d’autres la déstabilisent telle que la proline.
b-3)-Coude beta : c’est un arrangement particulier faisant intervenir des séquences de 4 résidus d’acides aminés consécutifs, qui sont le plus souvent la cystéine ; la proline ( ou l’acide aspartique), la glycine (ou la sérine), et le tryptophane ( ou la tyrosine) qui occupent successivement les positions i à i + 3 .
L a coude beta permet notamment aux chaines peptidiques de se replier sur elles-mêmes de façon antiparallèle. Une telle conformation est stabilisée par une liaison H qui intervient entre le –CO en i et le –NH en i+ 3. Dans certains cas, ces coudes se répètent de facon à former eux meme une sorte d’hélice : ‘ beta spirale’
b-4)-‘Pelote statistique’ :
Dans cette structure, il n’existe ni périodicité, ni orientation type de la chaine. On dit qu’elle est désordonnée car les atomes constitutifs apparaissent disposés au hasard. De même que les plans formés par les liaisons paptidiques successives peuvent tourner au hasard.
En terme de fonction biologique, les régions d’enroulement au hasard sont d’importance égale à celles des hélices alfa et des feuilles beta plissés.
2) Structure tertiaire
a) Définition
La structure tertiaire décrit le deuxième degré de repliement de la chaine et confère à la protéine une forme propre dans l’espace et une surface externe caractéristique. Elle dépend à la fois de la structure secondaire et de la structure primaire. Selon la forme générale adoptée par la molécule on distingue
-Les protéines fibrillaires ou scléroprotéines : Elles sont de forme allongée et sont généralement peu solubles dans l’eau. Elles constituent les éléments de structure des tissus de soutien et des planéres. Elles se rencontrent en très faible proportion à l’intérieur de cellules.
Les protéines globulaires ou sphéroprotéines. Elles sont de formes ramassée et sont solubles dans l'eau. Elles jouent un rôle fondamental au niveau cellulaire et représentent la majorité des protéines de la cellule
b)Les différentes conformations III
-Conformation III des scléroprotéines
La chaîne polypeptidique enroulée en hélice se dispose elle même sous la forme d'une hélice a très large pas.
-Conformation III des sphéroprotéines
Dans les sphéroproteines, la chaîne peptidique se replie complètement sur elle meme pour former une masse globulaire avec ses éléments polaires exposés a la surface et ses éléments hydrophobes enfouis en profondeur. De plus les replis de la chaîne en rapport avec l'existence d'une proline ou d'un coude beta sont maintenus par des liaisons de faible énergie établies entre des groupements d'acides aminés amenés a proximité l'un de l'autre parles repliements de la chaîne .
Des ponts S-S intra chaînes interviennent également dans cette conformation en rattachant deux cystéines plus ou moins éloignées dans la séquence primaire pour former des boucles. La chaîne ainsi repliée n'est pas hélicoïdale a 100%.
On y trouve des proportions diverses:
-La disposition hélicoïdale(Ribonucléase :17% d'hélicité ; myoglobine:70% d'helicité)
-la structure en feuillet beta plissé dans d'autres segments.
-la pelote statistique dans d'autres régions de la chaîne
3)Structure quaternaire
a)Définition
La structure quaternaire décrit l'association par des liaisons non covalentes de plusieurs chaines peptidiques dont la surface extérieure présente des détails structuraux qui permettent une disposition des chaines dans un ordre spécifique.
Ce niveau de conformation est propre aux scléroprotéines oligométriques (2 à 8 monomères)
b)Les différends types de conformation IV
b1-conformation IV des scléroprotéines
*la grille peptidique
Dans la structure en feuillets plissés ,plusieurs chaines peptidiques allongées cote à cote peuvent s'unir de proche en proche par des liaisons hydrogènes inter-caténaires. L'ensemble forme une grille peptidique.
Plusieurs grilles peuvent se superposer et s'unissent par des liaisons hydrogènes et des forces de Van der waalas réalisées entre les radicaux des acides aminés en particulier ceux de la glycine et de l'alanine en alternance.
Cette architecture est réalisée en particulier dans la beta kératine et lui confère une grande résistance (superposition de nombreuses chaines) ainsi qu'une grande souplesse (glissement facile des plans superposés.
Les chaines peptidiques étant étirées au maximum ,la protéine n'est pas élastique
*Le toron ^peptidique
Dans la structure hélicoïdale, plusieurs chaines peuvent s'enrouler les unes autour des autres à la manière d'une cordage. L'ensemble forme un toron peptidique. Ces protéines se distinguent a la fois par leur résistance physique et leur élasticité (exemple kératine alpha).
b2) conformation IV des sphéroproteines ou protéines oligometriques
Elles associent de manière non covalente plusieurs chaines peptidiques globulaires le plus souvent en nombre paire .On appelle monomère une sous unité à l’état libre. Il peut s'agir d'un dimère telle que la créatine phosphokinase (CPK) d'un tétramère telles que la lactate déshydrogénase(LDH)et l'hémoglobine A(alpha2beta2)
Les protéines dimériques sont les plus fréquentes. Quand les sous unités sot différentes, on utilise pour certaines les lettres majuscules : A,B,C….. ; et pour d’autres les lettres alfa, beta gamma …….
L’ensemble constitue une structure :
.Compacte : stable et indissociable spontanément.
.Non rigide : capable de trans-conformation ( modification discrète entre la position respective des sous unités) d’intérêt fonctionnel considérable.
.Spécifique :Il n’ya jamais d’hybrides à l’état natif.
La désensibilisation est l’opération qui consiste à dissocier les différents monomères sous l’action des divers agents tels que l’urée , la guanidine ou le mercure, sans modification des autres niveaux de structure.
4) Structure supramoléculaire
Il s’agit d’un niveau de structure supérieur réalisant un édifice macromoléculaire et associant soit un grand nombre de protéines globulaires ( supérieur à10) qui se succèdent de manière répétitive ( structure fibreuse), soit plusieurs protéines oligomériques (structure fibreuse ou globulaire), soit encore des protéines à des molécules non protéiques pour former dans ce cas une architecture particulière. Des liaisons covalentes peuvent participer à la stabilisation de l’édifice.
a). Structure fibreuse
Elle peut etre réalisée de deux manières :
a 1)- A partir de molécules fibrillaires disposées les unes à coté des autres parallèlement à un meme axe et unies par des liaisons de faible énergie mais surtout par des liaisons covalentes. Ces dernières sont généralement perpendiculaires à l’axe de la protéine. Pour cette raison, on les appelle ‘ liaisons croisées’. Les molécules fibrillaires forment ainsi des fibres d’une assez grande longeur qu’une seule molécule ne peut pas réaliser.
La régularité architecture de ces molécules protéiques est due à la répétition de groupements au sein des différentes chaines peptidiques.
a2) A partir de molécules globulaires polarisées de façon à s'associer dans une direction donnée pour former une structure fibrillaire.
b) structure particulaire
Dans d'autre cas, les molécules protéiques soit pour assurer leur solubilisation (ferritine, lipoprotéines) soit pour les neutraliser (nucléoprotéines).La ferritine permet la mise en réserve du fer au niveau du foie et de la rate. Les lipoprotéines sont des complexes macromoléculaires associant des lipides aux protéines en partie par des interactions de type Van der Waalas et en partie par des liaisons ioniques. Les nucléoprotéines sont des protéines riches en acides aminés basiques (histones) qui se trouvent combinés a l'ADN dans les noyaux cellulaires ou l'ARN constituant les ribosomes .
c)complexes poly enzymatiques
Ils permettent le regroupement dans l'espace de plusieurs protéines enzymatiques souvent oligomériques qui participent à la même chaine métabolique exemple acide gras synthétase.
C)groupement prosthétique
A coté des holoprotéines qui ne sont constituées que par des acides aminés, on distingue les hétéroprotéines composées de l'association d'une protéine et d'un groupement non protidique appelé groupement prothétique conférant à la protéine des propriétés physiologiques particulières .La nature de ce groupement prosthétique est variée .
1) acide phosphorique:
.L'acide phosphorique estérifié les fonctions alcools de la sérine et de la thréonine de nombreuses protéines cellulaires appelées phosphoprotéines.
2)copule glucidique
Une coupole glucidique est unie par une liaison covalente a une séquence peptidique réalisant une glycoprotéine. Les glucides que l'on peut rencontrer sont nombreuses :Hexoses, pentoses,osamines,acide sialique etc...
Le nombre de groupements glucidiques est très différent selon les cas. La répartition des glycoprotéines est très variée (enzymes hormones substance de groupe sanguin....)
3) coupole lipidique
Des lipides peuvent s'associer aux protéines en partie par des interactions de type Van der Waalas entre les chaines hydrophobes des lipides et celles de certains acides aminés et en partie par des liaisons ioniques. Les complexes macromoléculaires formés sont appelés lipoprotéines.
On a pu isoler des lipoprotéines à partir de divers tissus: thromboplastine du poumon rhodopsine de la rétine , lipoprotéines des mitochondries ,des microsomes et des membranes cellulaires. Grâce a leur caractère hydrophile pour la partie protéique et hydrophobe pour la partie lipidique, elles ^peuvent jouer un rôle important dans le métabolisme cellulaire (en particulier pour permettre le passage de certains composés d'une phase a l'autre et pour favoriser les réactions chimiques qui s'accompagnent d'un changement de solubilité des substrats)
4)acides nucléiques
Les histones sont des protéines riches en acides aminés basiques grâce a leur caractère basique, ces protéines se trouvent combinées à l'ADN dans les noyaux cellulaires ou elles forment desdésoxyribonucléoproteines.
L'association d'ARN et des protéines réalise des ribonucléoproteines constituant les ribosomes
5) copule métallique
Le métal est très généralement du fer, mais parfois il s'agit d'un autre métal.
a)fer
Parmi les groupements prosthétiques contenant du fer on distingue deux groupes:
-Les groupements prosthétiques a structure tétra-pyrrolique appelée porphyrinique
-Les groupements prosthétiques non porphyriniques
Dans les deux cas le complexe protéine-groupement prosthétique aboutit a la formation d'un pigment qu'on appelle chromoprotéines
a1) Les chromoprotéines porphyriniques
Ce sont des pigments respiratoires, citons:
-L'hémoglobine(globules rouges)
-La myoglobine(cellule musculaire)
-Les cytochromes(mitochondries)
-Les enzymes héminiques: catalase et peroxydase
a2)Les chromoprotéines non porphyriniques
Il s'agit de pigments non respiratoires, citons:
-Les caroténoproteines (pourpre rétinien)
-Les flavoproteines sont des protéines enzymatiques
-Les métalloprotéines
*Ferritine : Elle permet la mise en réserve du fer au niveau du foie et de la rate.
*Succinate déshydrogénase: C’est un exemple de métalloprotéine enzymatique contenant du fer.
b) Les autres métaux
-Le cuivre entre dans la constitution de l'hémocupréine des globules rouges et de certaines enzymes telle que la galactose oxydase.
-Le manganèse entre dans la constitution de la pyruvate carboxylase.
Le zinc: Parmi les très nombreuses métallo-enzymes contenant du zinc.
on peut citer : l’anhydrase carbonique, les A et B la phosphatase alcaline
-Le calcium se rencontre dans l'amylase