structure et fonction protéiques
Les protéines sont les éléments constitutifs des structures cellulaires et les moteurs des activités cellulaires. Ils sont de nature modulaire et leurs interactions avec d’autres molécules dans la cellule reposent sur la présence de domaines fonctionnels spécifiques. La forme précise du domaine, résultant de la présence de liaisons covalentes entre les résidus dans une chaîne polypeptidique décide de la fonction., L’exemple le plus connu de la relation forme-fonction est la théorie « clé et serrure” de la fonction enzymatique. Le changement de poche enzymatique, dû à la mutation ou à la modification d’un résidu d’acide aminé modifie l’affinité et/ou la spécificité de l’enzyme. En bref, le meilleur ajustement entre deux molécules, mieux il fonctionne, plus il y a de liaisons, plus le signal peut passer rapidement, ou plus les deux molécules se connectent (pensez aux molécules d’adhésion).
la conformation 3D de la protéine dépend des interactions entre les acides aminés dans la chaîne polypeptidique., Puisque la séquence des acides aminés dépend du code génétique, la forme de la protéine est codée dans l’ADN. Les protéines ont quatre niveaux d’organisation. La structure primaire se réfère à la séquence linéaire des acides aminés reliés par les liaisons peptidiques. La structure secondaire consiste en l’emballage local de la chaîne polypeptidique en hélices α et feuilles β En raison de liaisons hydrogène entre la liaison peptidique-squelette central du carbone. La structure tertiaire (3D) est une forme résultant du pliage de structures secondaires déterminées par les interactions entre les chaînes latérales d’acides aminés., La structure quaternaire décrit l’arrangement des chaînes polypeptidiques dans l’arrangement de sous-unités multiples.
cette vidéo montre les 4 niveaux de structure protéique.
adapté de la Banque de données RCSBProtein sous licence CC-BY
Tout ce qui est nécessaire pour donner une forme unique à une protéine et donc une fonction unique est « écrit” dans un fragment de L’ADN connu sous le nom de gène. Chaque fois qu’un gène est transcrit, que ce soit sur la durée de vie de la cellule ou dans n’importe quelle cellule qui a le même ADN, naturel ou recombinant, les protéines se présentent de la même manière et assument leur fonction préprogrammée.,
structure primaire des protéines
Les protéines sont la classe de macromolécules la plus importante et la plus polyvalente de la cellule. Les rôles joués par ces molécules englobent tout, du transport des nutriments, catalysant les réactions biochimiques aux composants structurels des cellules ou aux moteurs moléculaires. Les protéines sont des polymères linéaires d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Ils sont synthétisés à partir du brin modèle de L’ADN et contiennent des séquences d’acides aminés uniques et spécifiques sous une forme linéaire connue sous le nom de structure primaire.,
Seulement vingt acides aminés sont nécessaires et suffisantes pour générer des milliers de protéines dans une cellule. Cela ne signifie pas qu’il n’y a que vingt acides aminés. C’est une idée fausse commune. Il existe d’innombrables acides aminés dans le monde, mais ils sont impliqués dans d’autres réactions métaboliques, mais pas dans la synthèse des protéines. Comment la protéine individuelle obtient son identité réside dans la combinaison ordonnée d’acides aminés, qui détermine toutes ses caractéristiques.
Les acides aminés reliés par une liaison peptidique sont appelés chaîne polypeptidique., La chaîne polypeptidique est composée d’une séquence d’acides aminés dictée par le gène. Une séquence des chaînes d’acides aminés fournit une diversité vitale pour répondre aux exigences de la vie. La Conservation de séquences protéiques spécifiques est si importante que la cellule dispose de mécanismes de régulation pour s’assurer que seules des protéines parfaites sont produites. Chaque séquence distincte a un ordre unique qui transmet une fonction très unique. Si vous deviez changer un seul arrangement de la chaîne, alors cette chaîne aurait une fonction complètement différente., La fonction protéique peut être compromise ou complètement perdue si la séquence est en panne. Mais toutes les mutations ou modifications des protéines n’entraînent pas de conséquences désastreuses. Certains d’entre eux rendent la cellule et l’organisme mieux adaptés aux pressions environnementales, un processus que vous connaissez sous le nom d’évolution.
propriétés des acides aminés et leurs différences de chaîne latérale
Les acides aminés ont la même structure de base, ce qui est important pour la formation de liaisons chimiques appropriées entre les molécules adjacentes. Chaque acide aminé a un carbone central désigné comme α-carbone., Le carbone α a toujours les quatre groupes suivants:
- –NH2 un groupe amino basique
- –COOH un groupe acide (connu sous le nom de groupe carboxyle)
- –H un atome d’hydrogène
- –R une chaîne latérale
-R symbolise la chaîne latérale variable, qui est le seul groupe chimique qui diffère parmi les vingt acides aminés. Essentiellement la chaîne latérale rend l’acide aminé unique et peut être considérée comme son empreinte digitale.,
la propriété la plus importante des acides aminés qui affecte le repliement et par la suite la fonction de la molécule de protéine entière est leur interaction connue et prévisible avec l’eau. Les acides aminés peuvent donc être divisés en groupes hydrophiles et hydrophobes. Les acides aminés hydrophobes, aka non polaires, ont des hydrocarbures saturés comme chaînes latérales. Ces acides aminés sont l’alanine, la valine, la méthionine, la leucine et l’isoleucine et deux acides aminés avec des cycles aromatiques, le tryptophane et la phénylalanine., Les acides aminés hydrophobes et non polaires jouent un rôle essentiel dans le repliement des protéines, car ils ont tendance à s’assembler et à s’agglutiner loin de l’eau. Ces acides aminés forment généralement des domaines transmembranaires et se trouvent profondément enfouis dans l’intérieur hydrophobe de la plupart des protéines globulaires.
Les acides aminés hydrophiles interagissent facilement avec l’eau. Ce groupe comprend les acides aminés qui s’ionisent et deviennent chargés électriquement (à la fois négativement et positivement) lors de la dissociation et les acides aminés qui sont polaires mais non chargés., Les acides aminés qui ont des chaînes latérales avec un groupe carboxyle en plus du groupe carboxyle au carbone α utilisé dans la formation de la liaison peptidique portent une charge négative. Ces résidus sont l’acide glutamique et l’acide aspartique – notez que leurs noms contiennent en fait le terme « acide” en raison de la présence de deux groupes carboxyle.
les chaînes latérales de la lysine, de l’arginine et de l’histidine ont de forts groupes basiques et sont chargées positivement. Les acides aminés hydrophiles polaires mais non chargés sont l’asparagine, la glutamine, la sérine, la thréonine et la tyrosine., Les chaînes latérales hydrophiles et chargées d’acides aminés sont exposées à la surface de la protéine et sont particulièrement répandues dans les poches enzymatiques ou les molécules de transport. Les charges électriques exposées transmettent la nature et l’activité de la protéine à d’autres molécules et agissent comme des aimants attirant des forces similaires pour interagir.
plusieurs acides aminés contribuent à la structure des protéines en raison des caractéristiques uniques caractéristiques de leurs chaînes latérales. La structure de la proline diffère des autres acides aminés par le fait que sa chaîne latérale est liée à l’azote ainsi qu’au carbone central., Cet acide aminé est chimiquement non réactif (hydrophobe), mais en raison de son anneau à cinq chaînons, il perturbe la géométrie d’une protéine de pliage provoquant des changements brusques à la conformation en introduisant physiquement des plis et des courbures à une chaîne polypeptidique. La Glycine n’a pas de chaîne latérale du tout juste un deuxième atome d’hydrogène attaché au carbone α. Ne présentant pas un fort caractère polaire ou électronégativité, il est généralement observé dans des endroits où les parties de la chaîne polypeptidique se plient et se rapprochent les unes des autres.
la cystéine est un acide aminé communément connu pour affecter grandement la structure des protéines., Il a un groupe sulfhydryle responsable de la formation de liaisons disulfures qui stabilisent la structure tertiaire des protéines et contribue grandement aux fonctions moléculaires que vous apprendrez plus loin dans ce texte.
la structure secondaire et toutes les boucles
Comment savoir à quoi ressemblent vraiment les protéines lorsqu’elles sont pliées? Il existe deux méthodes permettant d’entrevoir la structure des protéines: la diffraction des rayons X et la résonance magnétique nucléaire (RMN)., La méthode de diffraction des rayons X produit une carte de contour tridimensionnelle des électrons dans un cristal de protéine basée sur la façon dont les rayons x rebondissent lorsqu’ils traversent l’échantillon. La RMN mesure l’espacement entre les protéines en solution saturée et des informations sur les contraintes d’espace sont utilisées pour déterminer les structures de pli de chaque protéine. Ces deux tests mis ensemble nous aident à comprendre quelle est la forme pliée d’une protéine.
La forme d’une protéine est uniquement déterminé par la séquence d’acides aminés dans la chaîne polypeptidique. C’est vrai; c’est comme L’ADN, un code unique fait un design unique., Le repliement des protéines est le résultat des propriétés physiques des chaînes latérales des acides aminés et de leurs interactions avec l’environnement qui les entoure. Les protéines se replient dans la forme la plus économe en énergie appelée état natif en plusieurs étapes ou niveaux de structure protéique.
repliement et architecture des protéines
lorsqu’elles sont exposées aux conditions du cytosol ou de la lumière de L’ER, les chaînes polypeptidiques supposent une organisation localisée appelée structure secondaire qui optimise les interactions entre les chaînes latérales des acides aminés entre elles et avec l’eau., L’épine dorsale polypeptidique se plie en spirales et en rubans d’hélices α et de feuilles β, respectivement. L’hélice α et la feuille β sont des segments du polypeptide qui ont une géométrie régulière et sont lacés ensemble avec des virages doux et pas si doux, et séparés par des boucles moins organisées.
L’hélice Alpha est une structure qui emballe les carbones α Avec une rotation fournissant des angles favorables pour la formation d’une forte liaison hydrogène et d’un emballage serré des chaînes latérales. Les feuilles bêta sont des structures plates composées de plusieurs brins β liés aux brins β voisins par liaison hydrogène., Dans les feuillets β, la chaîne polypeptidique peut fonctionner dans la même direction (parallèle) ou opposée (anti-parallèle). Les liaisons hydrogène sont plus stables lorsque la feuille β a des brins anti-parallèles plutôt que parallèles. Les feuilles parallèles ont tendance à être enfouies à l’intérieur de la structure protéique. Les structures secondaires sont reliées par des étirements non structurés formant de multiples boucles.
la structure tertiaire de la protéine
Il existe de nombreuses façons de regrouper les structures secondaires en un grand réseau 3D., La structure tertiaire de la protéine est une combinaison tridimensionnelle d’hélices α et de feuillets β qui se replient l’un à côté de l’autre à la suite d’interactions non covalentes entre les groupes latéraux des acides aminés et l’environnement entourant le polypeptide unique. À ce stade, les protéines commencent à solidifier leur structure par des liaisons supplémentaires telles que des liaisons disulfures entre deux cystéines. La caractéristique la plus importante des structures tertiaires est la présence de régions conservées avec des fonctions similaires appelées domaines fonctionnels., Les structures tertiaires sont moins stables et, en effet, la plupart d’entre elles changent de forme au cours de la vie de la protéine, souvent plusieurs fois. Les changements conformationnels dans ces domaines fonctionnels sont à la base de la fonction de la protéine. Ils peuvent être permanents pendant le repliement et la maturation des protéines ou réversibles et servir de moyen de réguler l’activité des protéines sur une échelle de réaction par réaction. Les domaines protéiques sont des régions d’activité similaire. Ils n’ont pas nécessairement une séquence conservée., Par exemple, un domaine kinase, responsable de la fixation du groupe phosphate a une forme et une séquence différentes, dépendant du substrat auquel le groupe phosphate est attaché. Les structures secondaires formant des domaines n’ont pas à se situer séquentiellement dans une chaîne polypeptidique. Ils pourraient même faire partie de plusieurs polypeptides différents dans le cas de protéines multimériques.
Les Motifs sont un sous-groupe de domaines fonctionnels qui ont des séquences conservées évolutivement, leur donnant bien sûr une forme conservée., Un exemple, les motifs de bobines enroulées sont des superstructures très régulières de deux hélices α appariées pour former la configuration fibreuse qui est la base des dimères stables. Habituellement, il y a deux hélices α identiques enroulées l’une autour de l’autre dans une conformation gauchère et stabilisées par des interactions hydrophobes. Les liaisons ioniques intermoléculaires entre les chaînes latérales dans une hélice α, séparées de 3,6 résidus, donnent aux résidus hydrophobes un espace pour interagir avec un motif similaire sur la protéine adverse.,
structure quaternaire
la structure quaternaire est le résultat d’un assemblage de deux polypeptides ou plus en une protéine multimérique fonctionnelle. Les sous-unités sont assemblées par des interactions entre domaines ou régions de la protéine et maintenues ensemble par des interactions hydrophobes (deux miroirs humides) et des liaisons disulfures., Si les sous-unités sont les mêmes, la structure est décrite avec le préfixe homo et si elles sont différentes avec le préfixe hétéro (comme dans les homodimères de glycogène phosphorylase musculaire ou comme dans les protéines G hétérotrimériques)
les processus intracellulaires tels que la signalisation dépendent de l’interaction entre les molécules. Plus l’ajustement moléculaire entre deux molécules est bon, plus elles peuvent former de liaisons ou plus l’interaction (affinité entre elles) est forte. La séquence d’acides aminés dictée par un gène, et à son tour les propriétés des chaînes latérales des acides aminés décident de la forme et à son tour des interactions.