Les différents niveaux de structure protéique

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les blancs d'œufs transparents s'opacifient à la cuisson ? Si oui, cette section est pour vous !

Le blanc d'œuf contient de grandes quantités de protéines appelées albumines, qui présentent normalement une forme 3D spécifique, grâce à des liaisons formées entre les différents acides aminés de la protéine. Le chauffage provoque la rupture de ces liaisons et expose les acides aminés hydrophobes (qui détestent l'eau) habituellement protégés au coeur de la protéine${}^{1,2}$‍. Les acides aminés hydrophobes, en tentant d'échapper à l'eau qui les entoure dans le blanc d'œuf, se collent les uns aux autres et forment un réseau protéique qui structure le blanc d'œuf tout en le rendant blanc et opaque. Tadam ! On remercie la dénaturation des protéines pour ce délicieux petit-déjeuner.

Comme on l'a mentionné dans le dernier article sur les protéines et les acides aminés, la forme d'une protéine est très importante pour sa fonction. Pour comprendre comment une protéine acquiert sa forme finale ou sa conformation, il faut détailler les quatre niveaux de la structure des protéines : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire.

Le niveau de base de la structure protéique, la structure primaire, consiste simplement en la séquence en acides aminés d'une chaîne polypeptidique. Par exemple, l'insuline possède deux chaînes polypeptidiques, A et B, représentées dans le schéma ci-dessous. (La molécule d'insuline montrée ici est l'insuline de la vache, bien que sa structure soit similaire à celle de l'insuline humaine.) Chaque chaîne dispose de son propre lot d'acides aminés, assemblés dans un ordre particulier. Par exemple, la séquence de la chaîne A commence par une glycine en N-terminal et se termine par une asparagine en C-terminal, ce qui diffère de la séquence de la chaîne B.

La séquence d'une protéine est déterminée par la séquence ADN du gène qui encode la protéine (ou qui encode une partie de la protéine, pour les protéines à plusieurs sous-unités). Une mutation dans la séquence génétique peut entraîner une modification de la séquence en acides aminés de la protéine. Même le changement d’un seul acide aminé dans la séquence d’une protéine peut affecter la structure et la fonction globale de la protéine.

Par exemple, le remplacement d'un seul acide aminé est associé à la drépanocytose, une maladie héréditaire qui altère les globules rouges. Dans la drépanocytose, l'une des chaînes polypeptidiques qui composent l'hémoglobine, la protéine qui transporte l'oxygène dans le sang, présente une légère modification de sa séquence. L'acide glutamique qui est normalement le sixième acide aminé de la chaîne β de l'hémoglobine (un des deux types de chaînes protéiques qui composent l'hémoglobine) est remplacé par une valine. Cette substitution est représentée pour un fragment de la chaîne β dans le schéma ci-dessous.

Ce qui est le plus remarquable, c'est qu'une molécule d'hémoglobine se compose de deux chaînes α et de deux chaînes β, qui comprennent chacune environ 150 acides aminés, pour un total d'environ 600 acides aminés pour la protéine entière. La différence entre une molécule d'hémoglobine normale et une molécule mutée est de seulement 2 acides aminés sur les 600 qui la constituent.

Une personne dont le corps ne fabrique que de l'hémoglobine mutée va présenter des symptômes drépanocytaires, car le remplacement de l'acide glutamique par la valine induit l'assemblage des molécules d'hémoglobine en de longues fibres. Les fibres déforment les globules rouges qui ne ressemblent alors plus à des disques et prennent une forme de croissant. On peut voir des exemples de cellules “drépanocytaires” mélangées à des cellules normales discoïdales dans l’échantillon de sang ci-dessous.

Les cellules malades se coincent alors qu'elles tentent de passer à travers des vaisseaux sanguins. Les cellules bloquées altèrent la circulation sanguine et peuvent causer de graves problèmes de santé chez les personnes atteintes de drépanocytose, notamment un essoufflement, des étourdissements, des maux de tête et des douleurs abdominales.

Le niveau suivant de structure protéique, la structure secondaire, désigne les structures pliées localement qui se forment dans un polypeptide à cause des interactions entre les atomes du squelette. (Le squelette fait simplement référence à la chaîne polypeptidique en dehors des groupes R – la structure secondaire n'implique pas les atomes du groupe R.) Les types les plus courants de structures secondaires sont l'hélice α et le feuillet β plissé. Les deux structures sont maintenues par des liaisons hydrogène, qui se forment entre l'O du carbonyle d’un acide aminé et l’H de l'amine d’un autre acide aminé.

Dans une hélice α, le carbonyle (C=O) d'un acide aminé est lié par une liaison hydrogène à l'H du groupe amine (N-H) d'un acide aminé situé quatre acides aminés plus bas dans la chaîne. (Par exemple, le carbonyle de l'acide aminé 1 constitue une liaison hydrogène avec le N-H de l'acide aminé 5.) Ce modèle de liaison tire la chaîne polypeptidique et lui confère une structure hélicoïdale semblable à un ruban enroulé, avec chaque tour d'hélice contenant 3,6 acides aminés. Les groupes R des acides aminés s'orientent vers l'extérieur de l'hélice α, où ils sont libres d'interagir${}^3$‍.

Dans un feuillet β plissé, deux ou plusieurs segments d'une chaîne polypeptidique s'alignent l'un à côté de l'autre, formant une structure semblable à une feuille plissée maintenue de la sorte par des liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogène se forment entre les groupes carbonyle et amine, tandis que les groupes R s'étendent au-dessus et au-dessous du plan de la feuille${}^3$‍. Les brins d'un feuillet β plissé peuvent être parallèles, pointant dans la même direction (ce qui signifie que leur N-terminal et leur C-terminal se correspondent), ou antiparallèles, pointant dans des directions opposées (ce qui signifie que le N-terminal d'un brin est positionné à côté du C-terminal de l'autre brin).

Certains acides aminés sont plus ou moins susceptibles de se retrouver dans des hélices α ou des feuillets β plissés. Par exemple, la proline est un acide aminé parfois qualifié de "casseur d'hélice" à cause de son groupe R particulier, qui se lie au groupe amine pour former un cycle. Ce groupe R crée une courbure dans la chaîne qui n'est pas compatible avec la formation d'une hélice${}^4$‍. La proline se situe généralement dans les coudes, ces régions non structurées entre les structures secondaires. De même, les acides aminés tels que le tryptophane, la tyrosine et la phénylalanine, qui présentent de grandes structures cycliques dans leurs groupes R, participent souvent aux feuillets β plissés, peut-être parce que la structure des feuillets β plissés offre beaucoup d'espace aux chaînes latérales${}^4$‍.

Beaucoup de protéines contiennent à la fois des hélices α et des feuillets β plissés, bien que certaines ne contiennent qu'un seul type de structure secondaire (ou ne forment ni l'un ni l'autre).

La structure tridimensionnelle globale d'un polypeptide s'appelle la structure tertiaire. La structure tertiaire est principalement due aux interactions entre les groupes R des acides aminés qui composent la protéine.

Les interactions des groupes R qui contribuent à la structure tertiaire comprennent les liaisons hydrogène, les liaisons ioniques, les interactions dipôle-dipôle et les forces de dispersion de London – en somme, toute la gamme de liaisons non covalentes. Par exemple, les groupes R avec des charges similaires se repoussent, tandis que ceux portant des charges opposées peuvent former une liaison ionique. De même, les groupes R polaires peuvent constituer des liaisons hydrogène et d'autres interactions dipôle-dipôle. Les interactions hydrophobes sont également importantes pour la structure tertiaire. Grâce à elles, les acides aminés avec des groupes R apolaires hydrophobes se regroupent à l'intérieur de la protéine, et laissent les acides aminés hydrophiles interagir à l'extérieur avec les molécules d'eau environnantes.

Enfin, il existe un type spécifique de liaison covalente qui peut contribuer à la structure tertiaire : les ponts disulfures. Les ponts disulfures, ces liaisons covalentes établies entre les chaînes latérales soufrées de cystéines, sont beaucoup plus forts que les autres types de liaisons qui participent à la structure tertiaire. Ils agissent comme des "épingles à nourrice" moléculaires, en maintenant certaines parties du polypeptide fermement attachées les unes aux autres.

De nombreuses protéines sont composées d’une seule chaîne polypeptidique et ne présentent que trois niveaux de structure (ceux dont on vient de discuter). Cependant, certaines protéines comprennent de multiples chaînes polypeptidiques, également appelées sous-unités. Lorsque ces sous-unités se réunissent, elles forment la structure quaternaire de la protéine.

On a déjà rencontré un exemple de protéine à structure quaternaire : l’hémoglobine. Comme mentionné précédemment, l'hémoglobine transporte de l'oxygène dans le sang et se compose de quatre sous-unités, deux de type α et deux de type β. Un autre exemple est celui de l'ADN polymérase, une enzyme responsable de la synthèse de nouveaux brins d'ADN qui comporte dix sous-unités${}^5$‍.

En général, les types d'interactions qui interviennent dans la structure tertiaire (principalement des interactions faibles, comme les liaisons hydrogène et les forces de dispersion de London) permettent également de maintenir la cohésion des sous-unités pour former la structure quaternaire.

Chaque protéine a une forme qui lui est propre. Si la température ou le pH de l'environnement d'une protéine change, ou si cette dernière est exposée à des produits chimiques, ces interactions peuvent être perturbées, ce qui fait que la protéine perd sa structure tridimensionnelle et se transforme en une chaîne non structurée d'acides aminés. Lorsqu'une protéine perd sa structure d'ordre supérieur, mais pas sa séquence primaire, on dit qu'elle est dénaturée. Les protéines dénaturées sont généralement non fonctionnelles.

Pour certaines protéines, la dénaturation peut être inversée. Puisque la structure primaire du polypeptide est toujours intacte (les acides aminés ne se sont pas séparés), la protéine peut se replier en sa forme fonctionnelle si elle retrouve son environnement normal. Cependant, la dénaturation est parfois permanente. C'est le cas de la dénaturation des protéines d'un œuf frit qui est irréversible. L'albumine du blanc d'oeuf liquide devient opaque et se solidifie, car elle est dénaturée par la chaleur de la poêle. Elle ne retournera pas à son état original, celui dans l'oeuf cru, même en refroidissant.

Les chercheurs ont découvert que certaines protéines peuvent se replier après dénaturation, même lorsqu’elles sont seules dans un tube à essai. Puisque ces protéines peuvent passer d'un état non structuré à replié par elles-mêmes, leur séquence en acides aminés doit contenir toutes les informations nécessaires au repliement. Cependant, toutes les protéines ne réussissent pas ce tour de passe-passe, et le repliement classique des protéines dans une cellule semble plus compliqué. Beaucoup de protéines ne se replient pas par elles-mêmes, mais nécessitent plutôt l'aide de protéines chaperons (chaperonines).

Vous voulez en savoir plus sur la structure et le repliement des protéines ? Découvrez cette animation interactive de LabXchange.

Vous voulez en savoir plus sur les effets de la température sur le repliement des protéines ? Découvrez cette animation interactive de LabXchange.