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2.3 : Structure et fonction - Protéines I - Biologie


La synthèse des protéines se produit dans les ribosomes et procède en joignant l'extrémité carboxyle du premier acide aminé à l'extrémité aminée du suivant (Figure 2.19). L'extrémité de la protéine qui a le groupe -amino libre est appelée extrémité amino ou N-terminal. L'autre extrémité est appelée extrémité carboxyle ou extrémité C, car elle contient le seul groupe α-carboxyle libre. Tous les autres groupes α-amino et -carboxyle sont liés pour former le peptide. Figure 2.19 Liaison des acides aminés par des liaisons de formation de liaisons peptidiques qui relient les acides aminés adjacents. Les protéines sont synthétisées en commençant par l'extrémité aminée et se terminant à l'extrémité carboxyle.

Schématiquement, sur la figure 2.18, nous pouvons voir comment les groupes R séquentiels d'une protéine sont disposés dans une orientation alternée de chaque côté de la chaîne polypeptidique. L'organisation des groupes R de cette manière n'est pas aléatoire. Un encombrement stérique peut survenir lorsque des groupes R consécutifs sont orientés du même côté d'un squelette peptidique (Figure 2.20)

Structure primaire

La structure primaire est le déterminant ultime de la conformation globale d'une protéine. La structure primaire de toute protéine est arrivée à son état actuel à la suite d'une mutation et d'une sélection au cours du temps évolutif. La structure primaire des protéines est mandatée par la séquence d'ADN qui les code dans le génome. Les régions des protéines spécifiant l'ADN sont appelées régions codantes (ou gènes).

Les séquences de bases de ces régions spécifient directement la séquence d'acides aminés dans les protéines, avec une correspondance un à un entre les codons (groupes de trois bases consécutives) dans l'ADN et les acides aminés dans la protéine codée. La séquence de codons dans l'ADN, copiée dans l'ARN messager, spécifie une séquence d'acides aminés dans une protéine. (Figure 2.21).

L'ordre dans lequel les acides aminés sont réunis dans la synthèse des protéines commence à définir un ensemble d'interactions entre les acides aminés alors même que la synthèse se produit. C'est-à-dire qu'un polypeptide peut se replier alors même qu'il est fabriqué. L'ordre des structures du groupe R et les interactions résultantes sont très importants car les premières interactions affectent les interactions ultérieures. C'est parce que les interactions commencent à établir des structures - secondaires et tertiaires. Si une structure hélicoïdale (structure secondaire), par exemple, commence à se former, les possibilités d'interaction d'un acide aminé particulier Rgroup peuvent être différentes que si l'hélice ne s'était pas formée (Figure 2.22). Les interactions du groupe R peuvent également provoquer des courbures dans une séquence polypeptidique (structure tertiaire) et ces courbures peuvent créer (dans certains cas) des opportunités d'interactions qui n'auraient pas été possibles sans la courbure ou empêcher (dans d'autres cas) des possibilités d'interaction similaires.

Structure secondaire

Au fur et à mesure que la synthèse des protéines progresse, des interactions entre des acides aminés proches les uns des autres commencent à se produire, donnant lieu à des modèles locaux appelés structure secondaire. Ces structures secondaires comprennent l'hélice et les brins bien connus. Les deux ont été prédits par Linus Pauling, Robert Corey et Herman Branson en 1951. Chaque structure a des caractéristiques uniques.

-hélice

L'hélice a une structure enroulée, avec 3,6 acides aminés par tour d'hélice (5 tours hélicoïdaux = 18 acides aminés). Les hélices sont principalement droitières - ce n'est que dans de rares cas, comme dans les séquences avec de nombreuses glycines, que des hélices α gauches peuvent se former. Dans l'hélice , des liaisons hydrogène se forment entre les groupes C=O et les groupes N-H dans le squelette polypeptidique qui sont distants de quatre acides aminés. Ces liaisons hydrogène sont les forces principales stabilisant l'hélice .

Nous utilisons les termes montée, répétition et hauteur pour décrire les paramètres de toute hélice. La répétition est le nombre de résidus dans une hélice avant qu'elle ne commence à se répéter. Pour une hélice , la répétition est de 3,6 acides aminés par tour d'hélice. L'élévation est la distance que l'hélice élève avec l'ajout de chaque résidu. Pour une hélice , c'est 0,15 nm par acide aminé. Le pas est la distance entre les tours complets de l'hélice. Pour une hélice , c'est 0,54 nm. La stabilité d'une hélice est renforcée par la présence de l'acide aminé aspartate.

brin/feuille

Une hélice est, bien sûr, un objet tridimensionnel. Une forme d'hélice aplatie en deux dimensions est une description courante pour un brin . Plutôt que des bobines, les brins ont des coudes et ceux-ci sont parfois appelés plis, comme les plis d'un rideau. Les brins peuvent être organisés pour former des structures minutieusement organisées, telles que des feuilles, des barils et d'autres arrangements.

Les structures de brin d'ordre supérieur sont parfois appelées structures supersecondaires), car elles impliquent des interactions entre des acides aminés qui ne sont pas proches dans la séquence primaire. Ces structures sont également stabilisées par des liaisons hydrogène entre les atomes d'oxygène carbonyle et les hydrogènes des groupes amine dans le squelette polypeptidique (figure 2.28). Dans une structure d'ordre supérieur, les brins peuvent être disposés parallèlement (orientations amino à carboxyle identiques) ou antiparallèles (orientations amino à carboxyle opposées l'une à l'autre (sur la figure 2.27, la direction du brin est indiquée par la pointe de flèche dans le ruban schémas).

Se tourne

Les virages (parfois appelés virages inversés) sont un type de structure secondaire qui, comme son nom l'indique, provoque un virage dans la structure d'une chaîne polypeptidique. Les tours donnent finalement naissance à une structure tertiaire, provoquant des interruptions dans les structures secondaires (hélices α et brins ) et servent souvent de régions de connexion entre deux régions de structure secondaire dans une protéine. La proline et la glycine jouent des rôles communs dans les virages, offrant respectivement moins de flexibilité (démarrage du virage) et une plus grande flexibilité (facilitant le virage).

Il existe au moins cinq types de virages, avec de nombreuses variantes de chacun donnant lieu à de nombreux virages différents. Les cinq types de virages sont

• Tours - les acides aminés terminaux sont séparés par une liaison peptidique

• -tours - séparation par deux liaisons peptidiques

• -tours - séparation par trois liaisons peptidiques

• -tours - séparation par quatre liaisons peptidiques

• -tours - séparation par cinq liaisons

Parmi ceux-ci, les -tours sont la forme la plus courante et les -tours sont théoriques, mais peu probables, en raison de limitations stériques. La figure 2.29 illustre un quart de tour.

310 hélices

En plus de l'hélice , des brins et de diverses spires, d'autres structures régulières et répétitives sont observées dans les protéines, mais se produisent beaucoup moins fréquemment. Le 310 l'hélice est la quatrième structure secondaire la plus abondante dans les protéines, constituant environ 10 à 15 % de toutes les hélices. L'hélice tire son nom du fait qu'elle contient 10 acides aminés en 3 tours. Il est droitier. Des liaisons hydrogène se forment entre les acides aminés séparés de trois résidus. Le plus souvent, les 310 l'hélice apparaît à l'extrémité amine ou carboxyle d'une hélice . Comme l'hélice , le 310 l'hélice est stabilisée par la présence d'aspartate dans sa séquence.

-hélices

Une hélice peut être considérée comme un type spécial d'hélice . Certaines sources le décrivent comme une hélice avec un acide aminé supplémentaire coincé au milieu (Figure 2.32). Les hélices ne sont pas exactement rares, se produisant au moins une fois sur 15 % de toutes les protéines. Comme l'hélice , l'hélice est droitière, mais là où l'hélice a 18 acides aminés en 5 tours, l'hélice a 22 acides aminés en 5 tours. Les hélices ne s'étirent généralement pas sur de très longues distances. La plupart ne font qu'environ 7 acides aminés et la séquence se produit presque toujours au milieu d'une région -hélicoïdale.

Parcelles de Ramachandran

En 1963, G.N. Ramachandran, C. Ramakrishnan et V. Sasisekharan ont décrit une nouvelle façon de décrire la structure des protéines. Si l'on considère le squelette d'une chaîne polypeptidique, il s'agit d'un ensemble répété de trois liaisons. Séquentiellement (dans le sens amino vers carboxyle), ce sont 1) une liaison rotative (ψ) entre le carbone α et le -carboxyle précédant la liaison peptidique (voir ICI), 2) une liaison peptidique non rotative (ω) entre le α -carboxyle et -amine), et 3) une liaison rotative (φ) entre l'-amine et le -carbone suivant la liaison peptidique (voir ICI). Notez dans les figures 2.33 et 2.34 que la direction amino à carboxyle est de droite à gauche.

La présence de l'oxygène carbonyle sur le groupe α-carboxyle permet à la liaison peptidique d'exister en tant que structure résonante, ce qui signifie qu'elle se comporte parfois comme une double liaison. Les doubles liaisons ne peuvent bien sûr pas tourner, mais les liaisons de chaque côté ont une certaine liberté de rotation. Les angles φ et sont limités à certaines valeurs, car certains angles entraîneront un encombrement stérique. De plus, chaque type de structure secondaire a une plage caractéristique de valeurs pour et .

Ramachandran et ses collègues ont effectué des calculs théoriques de la stabilité énergétique de tous les angles possibles de 0° à 360° pour chacun des angles φ et et ont tracé les résultats sur un tracé de Ramachandran (également appelé tracé φ-ψ), délimitant les régions d'angles qui étaient théoriquement les plus stables (figure 2.35).

Trois régions primaires de stabilité ont été identifiées, correspondant aux angles -ψ des brins (en haut à gauche), des hélices droites (en bas à gauche) et des hélices gauches (en haut à droite). Les tracés de la stabilité prédite sont remarquablement précis par rapport aux angles φ-ψ des protéines réelles.

Prédiction de structure secondaire

Tableau 2.3 - Tendances relatives de chaque acide aminé à être dans une structure secondaire. Des valeurs plus élevées indiquent une plus grande tendance Image de Penelope Irving

En comparant la structure primaire (séquences d'acides aminés) aux structures protéiques 3D connues, on peut compter chaque fois qu'un acide aminé est trouvé dans une hélice , un brin/feuille ou un tour. L'analyse informatique de milliers de ces séquences permet d'attribuer une probabilité qu'un acide aminé donné apparaisse dans chacune de ces structures. En utilisant ces tendances, on peut, avec une précision allant jusqu'à 80%, prédire des régions de structure secondaire dans une protéine en se basant uniquement sur la séquence d'acides aminés.

C'est ce que montre le tableau 2.3. L'occurrence dans la séquence primaire de trois acides aminés consécutifs avec des tendances relatives supérieures à un est un indicateur que cette région du polypeptide est dans la structure secondaire correspondante. Une ressource en ligne pour prédire les structures secondaires appelée PSIPRED est disponible ICI.

Hydrophobie

Tableau 2.4 - Scores d'hydropathie

La chimie des groupes R d'acides aminés affecte les structures dans lesquelles ils se trouvent le plus souvent. Des sous-ensembles de leurs propriétés chimiques peuvent donner des indices sur la structure et, parfois, l'emplacement cellulaire. Un excellent exemple est l'hydrophobie (tendances à éviter l'eau) de certains groupes R. Etant donné l'environnement aqueux de la cellule, de tels groupes R ne sont pas susceptibles d'être sur la surface extérieure d'une protéine repliée.

Cependant, cette règle ne s'applique pas aux régions de protéines qui peuvent être incorporées dans les bicouches lipidiques des membranes cellulaires/organites. En effet, la région de ces protéines qui forment les domaines transmembranaires sont enfouies dans l'environnement hydrophobe au milieu de la bicouche lipidique.

Il n'est pas surprenant que le balayage des séquences primaires à la recherche d'étirements d'acides aminés hydrophobes spécifiquement dimensionnés/espacés puisse aider à identifier les protéines présentes dans les membranes. Le tableau 2.4 montre les valeurs d'hydrophobie pour les groupes R des acides aminés. Dans cet ensemble, l'échelle va des valeurs positives (hydrophobe) aux valeurs négatives (hydrophile). Un graphique d'hydropathie KyteDoolittle pour la protéine membranaire du protooncogène RET est illustré à la figure 2.36. Deux régions de la protéine sont très hydrophobes comme le montrent les pics près des acides aminés 5-10 et 630-640. On peut raisonnablement s'attendre à ce que de telles régions soient situées soit à l'intérieur de la protéine repliée, soit comme faisant partie de domaines transmembranaires.

Bobines aléatoires

Certaines sections d'une protéine n'assument aucune structure régulière et discernable et sont parfois dites dépourvues de structure secondaire, bien qu'elles puissent avoir des liaisons hydrogène. De tels segments sont décrits comme étant des bobines aléatoires et peuvent avoir une fluidité dans leur structure qui leur confère de multiples formes stables. Les bobines aléatoires sont identifiables avec des méthodes spectroscopiques, telles que le dichroïsme circulaire Wikipedia et la résonance magnétique nucléaire (RMN) dans lesquelles des signaux distinctifs sont observés. Voir aussi les protéines métamorphiques (ICI) et les protéines intrinsèquement désordonnées (ICI).

Structure super-secondaire

Un autre élément de la structure des protéines est plus difficile à catégoriser car il incorpore des éléments de structure secondaire et tertiaire. Appelées structure supersecondaire (ou motifs structuraux), ces structures contiennent plusieurs composants de structure secondaires proches disposés de manière spécifique et qui apparaissent dans plusieurs protéines. Puisqu'il existe de nombreuses façons de fabriquer des structures secondaires à partir de différentes structures primaires, des motifs similaires peuvent également provenir de différentes séquences primaires. Un exemple de motif structurel est illustré à la figure 2.37.

Structure tertiaire

Les protéines se distinguent les unes des autres par la séquence d'acides aminés qui les composent. La séquence d'acides aminés d'une protéine détermine la forme de la protéine, car les propriétés chimiques de chaque acide aminé sont des forces qui donnent lieu à des interactions intermoléculaires pour commencer à créer des structures secondaires, telles que des hélices et des brins . La séquence définit également des tours et des bobines aléatoires qui jouent un rôle important dans le processus de repliement des protéines.

La forme étant essentielle à la fonction des protéines, la séquence d'acides aminés donne naissance à toutes les propriétés d'une protéine. Au fur et à mesure que la synthèse des protéines progresse, les composants individuels de la structure secondaire commencent à interagir les uns avec les autres, donnant lieu à des replis qui rapprochent les acides aminés qui ne sont pas proches les uns des autres dans la structure primaire (figure 2.38). Au niveau tertiaire de la structure, les interactions entre les groupes R des acides aminés dans la protéine, ainsi qu'entre le squelette polypeptidique et les groupes latéraux d'acides aminés jouent un rôle dans le repliement.

Protéines globulaires

Le pliage donne naissance à des formes 3D distinctes dans les protéines non fibreuses. Ces protéines sont appelées globulaires. Une protéine globulaire est stabilisée par les mêmes forces qui conduisent à sa formation. Ceux-ci incluent les interactions ioniques, les liaisons hydrogène, les forces hydrophobes, les liaisons ioniques, les liaisons disulfure et les liaisons métalliques. Des traitements tels que la chaleur, les changements de pH, les détergents, l'urée et le mercaptoéthanol dominent les forces stabilisatrices et provoquent le déploiement d'une protéine, perdant sa structure et (généralement) sa fonction (figure 2.39). La capacité de la chaleur et des détergents à dénaturer les protéines est la raison pour laquelle nous cuisinons nos aliments et nous lavons les mains avant de manger - de tels traitements dénaturent les protéines des micro-organismes sur nos mains. Les organismes qui vivent dans des environnements à haute température (plus de 50 °C) ont des protéines dont les forces stabilisatrices changent - des liaisons hydrogène supplémentaires, des ponts salins supplémentaires (interactions ioniques) et la compacité peuvent tous jouer un rôle dans l'empêchement de ces protéines de se déployer.

Forces de stabilisation des protéines

Avant de considérer le processus de repliement, considérons certaines des forces qui aident à stabiliser les protéines.

Liaisons hydrogène

Les liaisons hydrogène résultent d'hydrogènes partiellement chargés trouvés dans les liaisons covalentes. Cela se produit lorsque l'atome auquel l'hydrogène est lié a une plus grande électronégativité que l'hydrogène lui-même, ce qui entraîne une charge positive partielle de l'hydrogène car il n'est pas capable de retenir les électrons près de lui (figure 2.40).

L'hydrogène partiellement chargé de cette manière est attiré par les atomes, tels que l'oxygène et l'azote qui ont des charges négatives partielles, en raison d'une plus grande électronégativité et donc de la proximité des électrons. Les hydrogènes partiellement chargés positivement sont appelés donneurs, tandis que les atomes partiellement négatifs vers lesquels ils sont attirés sont appelés accepteurs. (Voir Figure 1.30).

Les liaisons hydrogène individuelles sont beaucoup plus faibles qu'une liaison covalente, mais collectivement, elles peuvent exercer des forces puissantes. Considérons l'eau liquide, qui contient un nombre énorme de liaisons hydrogène (figure 2.41). Ces forces aident l'eau à rester liquide à température ambiante. D'autres molécules dépourvues de liaisons hydrogène de poids moléculaire égal ou supérieur à celui de l'eau, telles que le méthane ou le dioxyde de carbone, sont des gaz à la même température. Ainsi, les interactions intermoléculaires entre les molécules d'eau aident à « retenir » l'eau ensemble et à rester liquide. Notamment, ce n'est qu'en élevant la température de l'eau à ébullition que les forces de liaison hydrogène sont surmontées, permettant à l'eau de devenir entièrement gazeuse.

Les liaisons hydrogène sont des forces importantes dans les biopolymères qui incluent l'ADN, les protéines et la cellulose. Tous ces polymères perdent leurs structures natives lors de l'ébullition. Les liaisons hydrogène entre les acides aminés qui sont proches les uns des autres dans la structure primaire peuvent donner lieu à des structures répétitives régulières, telles que des hélices ou des plis, dans les protéines (structure secondaire).

Interactions ioniques

Les interactions ioniques sont des forces importantes stabilisant la structure de la protéine qui résultent de l'ionisation des groupes R dans les acides aminés comprenant une protéine. Ceux-ci comprennent les acides aminés carboxyles (ICI), les acides aminés aminés ainsi que le sulfhydryle de la cystéine et parfois l'hydroxyle de la tyrosine.

Forces hydrophobes

Les forces hydrophobes stabilisent la structure des protéines à la suite d'interactions qui favorisent l'exclusion de l'eau. Les acides aminés non polaires (généralement présents à l'intérieur des protéines) favorisent l'association les uns avec les autres et cela a pour effet d'exclure l'eau. L'eau exclue a une entropie plus élevée que l'eau interagissant avec les chaînes latérales hydrophobes. En effet, l'eau s'aligne très régulièrement et selon un schéma distinct lorsqu'elle interagit avec des molécules hydrophobes.

Lorsque l'eau est empêchée d'avoir ce genre d'interactions, elle est beaucoup plus désordonnée qu'elle ne le serait si elle pouvait s'associer aux régions hydrophobes. C'est en partie pour cette raison que les acides aminés hydrophobes se trouvent à l'intérieur des protéines - ils peuvent donc exclure l'eau et augmenter l'entropie.

Liaisons disulfure

Les liaisons disulfure, qui se forment lorsque deux chaînes latérales sulfhydryle de la cystéine sont rapprochées, relient de manière covalente différentes régions protéiques et peuvent conférer une grande résistance à la structure globale (figures 2.42 et 2.43).Une ode à la structure des protéines par Kevin Ahern Les vingt petits acides aminés A définissent une protéine de plusieurs façons arrive quand une protéine se plie Mais les chaînes pliées sont carrément effrayantes Une fois assemblées au quaternaire Ce sont des merveilles de la nature, c'est sûr Créer des problèmes, faire des remèdes Un imbécile peut façonner des poèmes peptidiques Mais les protéines proviennent des ribosoèmes Ces résidus joints de cystéine sont parfois appelés cystine. Les liaisons disulfure sont les plus fortes des forces stabilisant la structure des protéines.

forces de van der Waals

Les forces de van der Waals sont un terme utilisé pour décrire diverses interactions faibles, y compris celles causées par l'attraction entre une molécule polaire et un dipôle transitoire, ou entre deux dipôles temporaires. Les forces de van der Waals sont dynamiques en raison de la nature fluctuante de l'attraction, et sont généralement faibles par rapport aux liaisons covalentes, mais peuvent, sur de très courtes distances, être importantes.

Modifications post-traductionnelles

Les modifications post-traductionnelles peuvent également entraîner la formation de liaisons covalentes stabilisant les protéines. L'hydroxylation de la lysine et de la proline dans les brins de collagène peut entraîner la réticulation de ces groupes et les liaisons covalentes résultantes aident à renforcer et à stabiliser le collagène.

Modèles pliants

Deux modèles populaires de repliement des protéines sont actuellement à l'étude. Dans le premier (modèle de collision de diffusion), un événement de nucléation commence le processus, suivi de la formation de la structure secondaire. Les collisions entre les structures secondaires (comme dans l'épingle β de la figure 2.37) permettent le début du pliage. En revanche, dans le modèle de nucléation-condensation, les structures secondaire et tertiaire se forment ensemble.

Le repliement des protéines se produit assez rapidement (0,1 à 1 000 secondes) et peut se produire pendant la synthèse - l'extrémité aminée d'une protéine peut commencer à se replier avant même que l'extrémité carboxyle ne soit formée, bien que ce ne soit pas toujours le cas.

Processus de pliage

Le repliement des protéines est supposé se produire dans un paysage énergétique "d'entonnoir de repliement" dans lequel l'état natif d'une protéine repliée correspond à l'énergie libre minimale possible dans les conditions du milieu (généralement un solvant aqueux) dans lequel la protéine est dissoute. Comme le montre le diagramme (figure 2.44), l'entonnoir d'énergie a de nombreux minima locaux (creux) dans lesquels une protéine de repliement peut être piégée lorsqu'elle se déplace vers le bas de la parcelle d'énergie. D'autres facteurs, tels que la température, les champs électriques/magnétiques et les considérations spatiales jouent probablement un rôle.

Si des forces externes affectent les minima d'énergie locaux pendant le pliage, le processus et le produit final peuvent être influencés. Comme la vitesse d'une voiture sur une route affectera la sécurité du voyage, les considérations énergétiques influencent et guident également le processus de repliement, ce qui entraîne des protéines entièrement fonctionnelles et correctement repliées dans certains cas et des « erreurs » mal repliées dans d'autres.

Être coincé

Au fur et à mesure que le processus de repliement progresse vers un minimum d'énergie (en bas de l'entonnoir de la figure 2.44), une protéine peut se « coincer » dans l'un des minima locaux et ne pas atteindre l'état replié final. Bien que l'état replié soit, en général, plus organisé et ait donc une entropie réduite que l'état déplié, il existe deux forces qui surmontent la diminution de l'entropie et font avancer le processus.

Le premier est l'ampleur de la diminution de l'énergie comme le montre le graphique. Puisque ΔG = ΔH -TΔS, une diminution de ΔH peut surmonter un ΔS négatif pour rendre ΔG négatif et faire avancer le processus de pliage. Des conditions énergétiques favorables (diminuées) surviennent avec la formation de liaisons ioniques, de liaisons hydrogène, de liaisons disulfure et de liaisons métalliques pendant le processus de repliement. De plus, l'effet hydrophobe augmente l'entropie en permettant aux acides aminés hydrophobes à l'intérieur d'une protéine repliée d'exclure l'eau, contrecarrant ainsi l'impact de l'ordonnancement de la structure de la protéine en rendant le ΔS moins négatif.

Prédiction de structure

Les programmes informatiques sont très bons pour prédire la structure secondaire uniquement sur la base de la séquence d'acides aminés, mais ont du mal à déterminer la structure tertiaire en utilisant les mêmes informations. Cela est en partie dû au fait que les structures secondaires ont des points de stabilisation répétés basés sur la géométrie et que toute structure secondaire régulière (par exemple, l'hélice ) varie très peu d'une structure à l'autre. Les structures pliées, cependant, ont un nombre énorme de structures possibles, comme le montre le paradoxe de Levinthal.

Spectroscopie

En raison de notre incapacité à prédire avec précision la structure tertiaire basée sur la séquence d'acides aminés, les structures des protéines sont en fait déterminées à l'aide de techniques de spectroscopie. Dans ces approches, les protéines sont soumises à diverses formes de rayonnement électromagnétique et la manière dont elles interagissent avec le rayonnement permet aux chercheurs de déterminer les coordonnées atomiques à une résolution d'Angstrom à partir des densités d'électrons (voir cristallographie aux rayons X) et comment les spins des noyaux interagissent (voir RMN).

Le paradoxe de Levinthal

À la fin des années 1960, Cyrus Levinthal a souligné l'ampleur de la complexité du problème de repliement des protéines. Il a souligné que pour une protéine avec 100 acides aminés, elle aurait 99 liaisons peptidiques et 198 considérations pour les angles φ et . Si chacun d'entre eux n'avait que trois conformations, cela donnerait 3198 pliages différents possibles ou 2,95x1094.

Même en accordant un laps de temps raisonnable (une nanoseconde) pour que chaque pli possible se produise, il faudrait plus de temps que l'âge de l'univers pour tous les échantillonner, ce qui signifie clairement que le processus de pliage ne se produit pas par un échantillonnage aléatoire séquentiel et que les tentatives de détermination de la structure des protéines par échantillonnage aléatoire étaient vouées à l'échec. Levinthal a donc proposé que le repliement se produise par un processus séquentiel qui commence par un événement de nucléation qui guide le processus rapidement et n'est pas sans rappeler le processus en entonnoir illustré à la figure 2.44.

Maladies du mauvais repliement des protéines

Le bon repliement des protéines est essentiel à leur fonction. Il s'ensuit alors qu'un mauvais repliement des protéines (également appelé protéopathie) pourrait avoir des conséquences. Dans certains cas, cela peut simplement entraîner une protéine inactive. Le mauvais repliement des protéines joue également un rôle dans de nombreuses maladies, telles que la maladie de la vache folle, la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la maladie de CreutzfeldJakob. De nombreuses maladies mal repliées, mais pas toutes, affectent le tissu cérébral.

Dépôts insolubles

Les protéines mal repliées forment généralement des agrégats appelés amyloïdes qui sont nocifs pour les tissus qui les contiennent car ils passent de solubles à insolubles dans l'eau et forment des dépôts. Le processus par lequel se produit un mauvais repliement (figure 2.45) n'est pas tout à fait clair, mais dans de nombreux cas, il a été démontré qu'une protéine "graine" mal repliée peut induire le même mauvais repliement dans d'autres copies de la même protéine. Ces protéines de graines sont connues sous le nom de prions et elles agissent comme des agents infectieux, entraînant la propagation de maladies. La liste des maladies humaines liées au mauvais repliement des protéines est longue et continue de s'allonger. Un lien Wikipédia est ICI.

prions

Les prions sont des particules de protéines infectieuses qui provoquent des encéphalopathies spongiformes transmissibles (EST), dont la plus connue est la maladie de la vache folle. D'autres manifestations comprennent la maladie, la tremblante du mouton et des maladies humaines, telles que la maladie de CreutzfeldtJakob (MCJ), l'insomnie familiale fatale et le kuru. La protéine impliquée dans ces maladies est une protéine membranaire appelée PrP. La PrP est codée dans le génome de nombreux organismes et se trouve dans la plupart des cellules du corps. PrPc est le nom donné à la structure de la PrP qui est normale et non associée à la maladie. PrPSc est le nom donné à une forme mal repliée de la même protéine, qui est associée au développement des symptômes de la maladie (Figure 2.45).

Mal plié

La PrPSc mal repliée est associée aux maladies EST et agit comme une particule infectieuse. Une troisième forme de PrP, appelée PrPres, peut être trouvée dans les EST, mais n'est pas infectieuse. Le «res» de PrPres indique qu'il est résistant aux protéases. Il convient de noter que les trois formes de PrP ont la même séquence d'acides aminés et ne diffèrent les unes des autres que par la manière dont les chaînes polypeptidiques sont repliées. La forme de PrP la plus dangereusement mal repliée est la PrPSc, en raison de sa capacité à agir comme un agent infectieux - une protéine de graine qui peut induire un mauvais repliement de la PrPc, la convertissant ainsi en PrPSc.

Fonction

La fonction de PrPc est inconnue. Les souris dépourvues du gène PrP ne présentent pas d'anomalies majeures. Ils semblent présenter des problèmes de mémoire à long terme, suggérant une fonction pour PrPc. Stanley Prusiner, qui a découvert les prions et inventé le terme, a reçu le prix Nobel de médecine en 1997 pour ses travaux. Je pense que si j'avais la chance d'être sur une protéine A constituant un prion, je le tordrais et pour l'amour de Dieu l'empêcher de faire des erreurs de pli

Amyloïdes

Les amyloïdes sont une collection d'agrégats de protéines mal repliés que l'on trouve dans le corps humain. Du fait de leur mauvais repliement, ils sont insolubles et contribuent à une vingtaine de maladies humaines dont d'importantes neurologiques impliquant des prions. Les maladies comprennent (protéine affectée entre parenthèses) - la maladie d'Alzheimer (amyloïde β), la maladie de Parkinson (α-synucléine), la maladie de Huntington (huntingtin), la polyarthrite rhumatoïde (sérum amyloïde A), l'insomnie familiale mortelle (PrPSc) et autres.

La séquence d'acides aminés joue un rôle dans l'amyloïdogenèse. Les polypeptides riches en glutamine sont courants dans la levure et les prions humains. Les répétitions de trinucléotides sont importantes dans la maladie de Huntington. Lorsque la séquence n'est pas un facteur, l'association hydrophobe entre les feuillets peut jouer un rôle.

Amyloïde β

Amyloïde β fait référence à des ensembles de petites protéines (36-43 acides aminés) qui semblent jouer un rôle dans la maladie d'Alzheimer. (La protéine Tau est l'autre facteur.) Ils sont, en fait, les principaux composants des plaques amyloïdes trouvées dans le cerveau des patients souffrant de la maladie et résultent du clivage protéolytique d'une glycoprotéine précurseur amyloïde plus grande appelée protéine précurseur amyloïde, une membrane intégrale protéine des cellules nerveuses dont la fonction n'est pas connue. Deux protéases, la -sécrétase et la -sécrétase remplissent cette fonction. Les protéines amyloïdes sont mal repliées et semblent induire un mauvais repliement d'autres protéines et ainsi précipiter et former l'amyloïde caractéristique de la maladie. Les plaques sont toxiques pour les cellules nerveuses et provoquent la démence caractéristique de la maladie.

On pense que l'agrégation des protéines amyloïdes au cours d'un mauvais repliement conduit à la génération d'espèces réactives de l'oxygène et que c'est le moyen par lequel les neurones sont endommagés. On ne sait pas quelle est la fonction réelle de l'amyloïde β. Des mutations autosomiques dominantes dans la protéine conduisent à l'apparition précoce de la maladie, mais cela ne se produit que dans 10 % des cas. Les stratégies de traitement de la maladie comprennent l'inhibition des sécrétases qui génèrent les fragments peptidiques à partir de la protéine précurseur amyloïde.

Huntingtine

La Huntingtine est le gène central de la maladie de Huntington. La protéine fabriquée à partir de celle-ci est riche en glutamine, avec 6 à 35 de ces résidus sous sa forme de type sauvage. Dans la maladie de Huntington, ce gène est muté, augmentant le nombre de glutamines dans la protéine mutante entre 36 et 250. La taille de la protéine varie avec le nombre de glutamines dans la protéine mutante, mais la protéine de type sauvage a plus de 3100 amino acides et un poids moléculaire d'environ 350 000 Da. Sa fonction précise n'est pas connue, mais la huntingtine se trouve dans les cellules nerveuses, avec le niveau le plus élevé dans le cerveau. On pense qu'il pourrait jouer un rôle dans le transport, la signalisation et la protection contre l'apoptose. La huntingtine est également nécessaire au développement embryonnaire précoce. Au sein de la cellule, la huntingtine est localisée principalement dans les microtubules et les vésicules.

Répétition trinucléotidique

Le gène de la huntingtine contient de nombreuses copies de la séquence CAG (appelées répétitions trinucléotidiques), qui codent pour les nombreuses glutamines de la protéine. La maladie de Huntington survient lorsque des copies supplémentaires de la séquence CAG sont générées lorsque l'ADN du gène est copié. L'expansion de séquences répétées peut se produire en raison du glissement de la polymérase par rapport à la matrice d'ADN pendant la réplication. En conséquence, de multiples copies supplémentaires de la répétition trinucléotidique peuvent être réalisées, résultant en des protéines avec des nombres variables de résidus glutamine. Jusqu'à 35 répétitions peuvent être tolérées sans problème. Le nombre de répétitions peut augmenter au cours de la vie d'une personne, cependant, par le même mécanisme. Les individus avec 36-40 répétitions commencent à montrer des signes de la maladie et s'il y en a plus de 40, la maladie sera présente.

Chaperons moléculaires

L'importance du bon repliement des protéines est mise en évidence par les maladies associées aux protéines mal repliées, il n'est donc pas surprenant que les cellules dépensent de l'énergie pour faciliter le bon repliement des protéines. Les cellules utilisent deux classes de protéines connues sous le nom de chaperons moléculaires, pour faciliter un tel repliement dans les cellules. Les chaperons moléculaires sont de deux sortes, les chaperons et les chaperonins. Un exemple de la première catégorie est la classe de protéines Hsp70. Hsp signifie « heat shock protein », du fait que ces protéines ont d'abord été observées en grande quantité dans des cellules qui avaient été brièvement soumises à des températures élevées. Les hsp ont pour fonction d'assister les cellules dans les stress résultant d'un choc thermique et d'une exposition à des conditions oxydantes ou à des métaux lourds toxiques, tels que le cadmium et le mercure. Cependant, ils jouent également un rôle important dans des conditions normales, où ils aident au bon repliement des polypeptides en empêchant les interactions aberrantes qui pourraient conduire à un mauvais repliement ou à une agrégation. Les protéines Hsp70 se trouvent dans presque toutes les cellules et utilisent l'hydrolyse de l'ATP pour stimuler les changements structurels dans la forme du chaperon pour permettre la liaison des protéines substrats. Le domaine de liaison de Hsp70s contient une structure en tonneau qui s'enroule autour de la chaîne polypeptidique du substrat et a une affinité pour les chaînes latérales hydrophobes d'acides aminés. Comme le montre la figure 2.50, Hsp70 se lie aux polypeptides lorsqu'ils émergent des ribosomes au cours de la synthèse des protéines. La liaison du substrat stimule l'hydrolyse de l'ATP et ceci est facilité par une autre protéine de choc thermique connue sous le nom de Hsp40. L'hydrolyse de l'ATP amène la Hsp70 à adopter une conformation fermée qui aide à protéger les résidus hydrophobes exposés et à empêcher l'agrégation ou un mauvais repliement local.

Une fois la synthèse protéique terminée, l'ADP est libéré et remplacé par l'ATP, ce qui entraîne la libération de la protéine substrat, qui permet ensuite au polypeptide complet de se replier correctement.

En choc thermique

En période de choc thermique ou de stress oxydatif, les protéines Hsp70 se lient aux régions hydrophobes dépliées des protéines pour les empêcher de même de s'agréger et de leur permettre de se replier correctement. Lorsque les protéines sont endommagées, Hsp70 recrute des enzymes qui ubiquitinent la protéine endommagée pour les cibler en vue de leur destruction dans les protéasomes. Ainsi, les protéines Hsp70 jouent un rôle important en garantissant non seulement que les protéines sont correctement repliées, mais que les protéines endommagées ou non fonctionnelles sont éliminées par dégradation dans le protéasome.

Chaperonins

Une deuxième classe de protéines impliquées dans l'assistance à d'autres protéines pour se replier correctement est appelée chaperonines. Il existe deux catégories principales de chaperonines - la classe I (présente dans les bactéries, les chloroplastes et les mitochondries) et la classe II (présente dans le cytosol des eucaryotes et des archaebactéries). Les chaperonines les mieux étudiées sont les protéines complexes GroEL/GroES présentes dans les bactéries (Figure 2.51).

GroEL/GroES peut ne pas être capable de défaire les protéines agrégées, mais en facilitant un repliement correct, il fournit une compétition pour un repliement incorrect en tant que processus et peut réduire ou éliminer les problèmes résultant d'un repliement incorrect. GroEL est un 14mère à double anneau avec une région hydrophobe qui peut faciliter le repliement de substrats de 15 à 60 kDa. GroES est un heptamère à anneau unique qui se lie à GroEL en présence d'ATP et fonctionne comme une couverture sur GroEL. L'hydrolyse de l'ATP par les chaperonines induit d'importants changements de conformation qui affectent la liaison des protéines substrats et leur repliement. On ne sait pas exactement comment les chaperonines replient les protéines. Les modèles passifs postulent le fonctionnement inerte du complexe chaperonine en empêchant les interactions intermoléculaires défavorables ou en imposant des restrictions sur les espaces disponibles pour le repliement. Les modèles actifs proposent que les changements structurels du complexe chaperonine induisent des changements structurels dans la protéine substrat.

Décomposition des protéines

Un autre complexe protéique qui a une fonction importante dans la dynamique de vie des protéines est le protéasome (Figure 2.52). Les protéasomes, que l'on trouve chez tous les eucaryotes et archéens, ainsi que certaines bactéries, ont pour fonction de décomposer les protéines inutiles ou endommagées par dégradation protéolytique. Les protéasomes aident à réguler la concentration de certaines protéines et à dégrader celles qui sont mal repliées. La voie de dégradation du protéasome joue un rôle important dans les processus cellulaires qui incluent la progression dans le cycle cellulaire, la modulation de l'expression des gènes et la réponse aux stress oxydatifs.

La dégradation du protéasome donne des peptides courts de sept à huit acides aminés. Les protéases à thréonine jouent un rôle important. La décomposition de ces peptides donne des acides aminés individuels, facilitant ainsi leur recyclage dans les cellules. Les protéines sont ciblées pour la dégradation dans les protéasomes eucaryotes par fixation à de multiples copies d'une petite protéine appelée ubiquitine (8,5 kDa - 76 acides aminés). L'enzyme catalysant la réaction est connue sous le nom d'ubiquitine ligase. La chaîne de polyubiquitine résultante est liée par le protéasome et la dégradation commence. L'ubiquitine a été nommée en raison de sa présence omniprésente dans les cellules eucaryotes.

Ubiquitine

L'ubiquitine (figure 2.53) est une petite protéine multifonctionnelle (8,5 kDa) présente dans les cellules eucaryotes. Il est couramment ajouté aux protéines cibles par l'action des enzymes ubiquitine ligase (E3 sur la figure 2.54). Une (ubiquitination) ou plusieurs (polyubiquitination) molécules d'ubiquitine peuvent être ajoutées. L'attachement de l'ubiquitine se fait par la chaîne latérale de l'un des sept résidus lysine différents de l'ubiquitine.

L'ajout d'ubiquitine aux protéines a de nombreux effets, dont le plus connu est de cibler la protéine pour la dégradation dans le protéasome. Le ciblage du protéasome est observé lorsque la polyubiquitination se produit au niveau des lysines n° 29 et 48. La polyubiquitination ou la monoubiquitination au niveau d'autres lysines peut entraîner une altération de la localisation cellulaire et des interactions protéine-protéine modifiées. Ce dernier peut altérer l'inflammation, le trafic endocytaire, la traduction et la réparation de l'ADN.

Dysfonctionnement de l'ubiquitine ligase

Parkin est une protéine liée à la maladie de Parkinson qui, lorsqu'elle est mutée, est liée à une forme héréditaire de la maladie appelée maladie de Parkinson juvénile autosomique récessive.La fonction de la protéine n'est pas connue, mais c'est un composant du système d'ubiquitine ligase E3 responsable du transfert d'ubiquitine de la protéine E2 à une chaîne latérale de lysine sur la protéine cible. On pense que les mutations de la parkin entraînent un dysfonctionnement du protéasome et une incapacité conséquente à décomposer les protéines nocives pour les neurones dopaminergiques. Cela entraîne la mort ou un dysfonctionnement de ces neurones, entraînant la maladie de Parkinson.

Protéines intrinsèquement désordonnées

Film 2.1 - Mouvement dynamique du cytochrome C en solution Wikipédia

Comme le montrent les nombreux exemples décrits ailleurs dans le livre, la structure 3-D des protéines est importante pour leur fonction. Mais, de plus en plus, il devient évident que toutes les protéines ne se replient pas dans une structure stable. Des études sur les protéines dites intrinsèquement désordonnées (IDP) au cours des deux dernières décennies ont montré que de nombreuses protéines sont biologiquement actives, même si elles ne parviennent pas à se replier dans des structures stables. Encore d'autres protéines présentent des régions qui restent dépliées (régions IDP) alors même que le reste du polypeptide se replie sous une forme structurée.

Les protéines intrinsèquement désordonnées et les régions désordonnées au sein des protéines sont en fait connues depuis de nombreuses années, mais ont été considérées comme une anomalie. Ce n'est que récemment, avec la réalisation que les IDP et les régions IDP sont répandues parmi les protéines eucaryotes, qu'il a été reconnu que le trouble observé est une "caractéristique, pas un bogue".

Film 2.2 SUMO-1, une protéine avec des sections intrinsèquement désordonnées Wikipedia

La comparaison des IDP montre qu'ils partagent des caractéristiques de séquence qui semblent favoriser leur état désordonné. C'est-à-dire que, tout comme certaines séquences d'acides aminés peuvent favoriser le repliement d'un polypeptide dans une structure particulière, les séquences d'acides aminés des IDP favorisent leur dépliement. Les régions IDP sont considérées comme étant faibles en résidus hydrophobes et exceptionnellement riches en résidus polaires et en proline. La présence d'un grand nombre d'acides aminés chargés dans les IDP peut inhiber le repliement par répulsion de charge, tandis que le manque de résidus hydrophobes rend difficile la formation d'un noyau hydrophobe stable, et la proline décourage la formation de structures hélicoïdales. Les différences observées entre les séquences d'acides aminés dans les IDP et les protéines structurées ont été utilisées pour concevoir des algorithmes permettant de prédire si une séquence d'acides aminés donnée sera désordonnée.

Quelle est la signification des protéines ou régions intrinsèquement désordonnées ? Le fait que cette propriété soit codée dans leurs séquences d'acides aminés suggère que leur trouble peut être lié à leur fonction. La nature flexible et mobile de certaines régions IDP peut jouer un rôle crucial dans leur fonction, permettant une transition vers une structure repliée lors de la liaison à un partenaire protéique ou en subissant une modification post-traductionnelle. Des études sur plusieurs protéines bien connues avec des régions IDP suggèrent quelques réponses. Les régions IDP peuvent améliorer la capacité de protéines telles que le répresseur lac à se déplacer le long de l'ADN pour rechercher des sites de liaison spécifiques. La flexibilité des IDP peut également être un atout dans les interactions protéine-protéine, en particulier pour les protéines connues pour interagir avec de nombreux partenaires protéiques différents.

Par exemple, p53 a des régions IDP qui peuvent permettre à la protéine d'interagir avec une variété de partenaires fonctionnels. La comparaison des fonctions connues des protéines avec les prédictions de désordre dans ces protéines suggère que les IDP et les régions IDP peuvent fonctionner de manière disproportionnée dans la signalisation et la régulation, tandis que les protéines plus structurées penchent vers des rôles dans la catalyse et le transport. Il est intéressant de noter que de nombreuses protéines trouvées dans les ribosomes et les spliceosomes devraient avoir des régions IDP qui pourraient jouer un rôle dans l'assemblage correct de ces complexes. Même si les personnes déplacées n'ont pas fait l'objet d'études intensives depuis très longtemps, le peu d'informations disponibles à leur sujet suggère qu'elles jouent un rôle important et sous-estimé dans les cellules.

Protéines métamorphiques

Un autre groupe de protéines qui a récemment changé notre conception de la structure et de la fonction des protéines est ce qu'on appelle les protéines métamorphiques. Ces protéines sont capables de former plus d'un état replié stable à partir d'une seule séquence d'acides aminés. Bien qu'il soit vrai que les conformations repliées multiples ne soient pas exclues par les lois de la physique et de la chimie, les protéines métamorphiques sont une découverte relativement nouvelle. On savait, bien sûr, que les protéines prions étaient capables de se replier dans des structures alternatives, mais les protéines métamorphiques semblent être capables de basculer entre deux structures stables. Alors que dans certains cas, la protéine métamorphique subit ce changement en réponse à la liaison d'une autre molécule, certaines protéines peuvent accomplir cette transition par elles-mêmes. Un exemple intéressant est la molécule de signalisation, la lymphotactine. La lymphotactine a deux fonctions biologiques qui sont réalisées par ses deux conformères : une forme monomère qui se lie au récepteur de la lymphotactine et une forme dimère qui se lie à l'héparine. Il est possible que ce type de commutation soit plus répandu qu'on ne le pensait.

Repliage des protéines dénaturées

Toutes les informations relatives au repliement des protéines sont contenues dans la séquence d'acides aminés de la protéine. Il peut alors sembler curieux que la plupart des protéines ne se replient pas dans leur forme appropriée et pleinement active après avoir été +++ dénaturées et le dénaturant éliminé. Quelques-uns le font, en fait. Un bon exemple est la ribonucléase bovine (Figure 2.55). Son activité catalytique est très résistante à la chaleur et à l'urée et les tentatives de dénaturation ne fonctionnent pas très bien. Cependant, si l'on traite l'enzyme avec du β-mercaptoéthanol (qui rompt les liaisons disulfure) avant le traitement à l'urée et/ou le chauffage, l'activité est perdue, ce qui indique que les liaisons disulfure covalentes aident à stabiliser la structure globale de l'enzyme et lorsqu'elles sont rompues, la dénaturation peut se produisent facilement. Lorsque le mélange revient à température ambiante, une certaine activité enzymatique réapparaît avec le temps, indiquant que la ribonucléase s'est repliée dans les nouvelles conditions.

Fait intéressant, la renaturation se produira au maximum si une infime quantité de -mercaptoéthanol est laissée dans la solution pendant le processus. La raison en est que le β-mercaptoéthanol permet la réduction (et la rupture) des liaisons disulfure accidentelles et incorrectes pendant le processus de pliage. Sans cela, ces liaisons disulfure empêcheront la formation de plis appropriés.

Dénaturation irréversible

Cependant, la plupart des enzymes ne se comportent pas comme la ribonucléase bovine. Une fois dénaturée, leur activité ne peut pas être récupérée de manière significative Il n'y a pas beaucoup de façons d'inactiver la RNase Elle est stable quand il fait chaud ou froid Parce que les disulfures tiennent fermement Si vous désirez le faire caler Utilisez une mesure de mercaptoéthanol chaud. Cela peut sembler contredire l'idée que l'information de repliement soit inhérente à la séquence d'acides aminés dans la protéine. Ce ne est pas.

La plupart des enzymes ne se replient pas correctement après dénaturation pour deux raisons. Premièrement, un repliement normal peut se produire lors de la fabrication des protéines. Les interactions entre les acides aminés au début de la synthèse ne sont pas « confuses » par les interactions avec les acides aminés plus tard dans la synthèse, car ces acides aminés ne sont pas présents au début du processus.

Rôle des chaperons

Dans d'autres cas, le processus de repliement de certaines protéines dans la cellule reposait sur l'action des protéines chaperonines (voir ICI). En l'absence de chaperonines, des interactions pouvant entraîner un mauvais repliement se produisent, empêchant ainsi un bon repliement. Ainsi, le repliement précoce et l'assistance de chaperonines éliminent certaines interactions potentielles de « mauvais repliement » qui peuvent se produire si toute la séquence était présente au début du repliement.

Structure quaternaire

Un quatrième niveau de structure protéique est celui de la structure quaternaire. Il fait référence à des structures résultant d'interactions entre plusieurs polypeptides. Les unités peuvent être des copies multiples identiques ou peuvent être des chaînes polypeptidiques différentes. L'hémoglobine adulte est un bon exemple de protéine à structure quaternaire, composée de deux chaînes identiques appelées et de deux chaînes identiques appelées β.

Bien que les chaînes soient très similaires aux chaînes , elles ne sont pas identiques. Les chaînes α et sont également liées à la chaîne polypeptidique unique dans la protéine apparentée appelée myoglobine. La myoglobine et l'hémoglobine ont une similitude dans la liaison de l'oxygène, mais leur comportement envers la molécule diffère considérablement. Notamment, les sous-unités multiples de l'hémoglobine (avec structure quaternaire) par rapport à la sous-unité unique de la myoglobine (sans structure quaternaire) donnent lieu à ces différences.

Les références

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_W aals_force 105


2.3 Molécules biologiques

Les grosses molécules nécessaires à la vie qui sont construites à partir de molécules organiques plus petites sont appelées macromolécules biologiques. Il existe quatre grandes classes de macromolécules biologiques (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques), et chacune est un composant important de la cellule et remplit un large éventail de fonctions. Combinées, ces molécules constituent la majorité de la masse d'une cellule. Les macromolécules biologiques sont organiques, c'est-à-dire qu'elles contiennent du carbone (à quelques exceptions près, comme le dioxyde de carbone). De plus, ils peuvent contenir de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote, du phosphore, du soufre et d'autres éléments mineurs.

Carbone

On dit souvent que la vie est « à base de carbone ». Cela signifie que les atomes de carbone, liés à d'autres atomes de carbone ou à d'autres éléments, forment les composants fondamentaux de nombreuses, sinon de la plupart, des molécules que l'on trouve uniquement dans les êtres vivants. D'autres éléments jouent un rôle important dans les molécules biologiques, mais le carbone est certainement considéré comme l'élément «fondateur» des molécules dans les êtres vivants. Ce sont les propriétés de liaison des atomes de carbone qui sont responsables de son rôle important.

Liaison carbone

Le carbone contient quatre électrons dans sa couche externe. Par conséquent, il peut former quatre liaisons covalentes avec d'autres atomes ou molécules. La molécule de carbone organique la plus simple est le méthane (CH4), dans laquelle quatre atomes d'hydrogène se lient à un atome de carbone (figure 2.13).

Cependant, les structures plus complexes sont réalisées en carbone. N'importe lequel des atomes d'hydrogène peut être remplacé par un autre atome de carbone lié de manière covalente au premier atome de carbone. De cette manière, des chaînes longues et ramifiées de composés carbonés peuvent être formées (Figure 2.14une). Les atomes de carbone peuvent se lier à des atomes d'autres éléments, tels que l'azote, l'oxygène et le phosphore (Figure 2.14b). Les molécules peuvent également former des anneaux, qui eux-mêmes peuvent se lier à d'autres anneaux (Figure 2.14c). Cette diversité de formes moléculaires rend compte de la diversité des fonctions des macromolécules biologiques et repose dans une large mesure sur la capacité du carbone à former des liaisons multiples avec lui-même et d'autres atomes.

Les glucides

Les glucides sont des macromolécules avec lesquelles la plupart des consommateurs sont quelque peu familiers. Pour perdre du poids, certaines personnes adhèrent à des régimes « faibles en glucides ». Les athlètes, en revanche, "se chargent souvent en glucides" avant les compétitions importantes pour s'assurer qu'ils ont suffisamment d'énergie pour concourir à un niveau élevé. Les glucides sont, en fait, une partie essentielle de notre alimentation. Les céréales, les fruits et les légumes sont tous des sources naturelles de glucides. Les glucides fournissent de l'énergie à l'organisme, notamment grâce au glucose, un sucre simple. Les glucides ont également d'autres fonctions importantes chez les humains, les animaux et les plantes.

Les glucides peuvent être représentés par la formule (CH2O)m, où m est le nombre d'atomes de carbone dans la molécule. En d'autres termes, le rapport carbone/hydrogène/oxygène est de 1:2:1 dans les molécules de glucides. Les glucides sont classés en trois sous-types : les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.

Les monosaccharides (mono- = "un" sacchar- = "sucré") sont des sucres simples, dont le plus courant est le glucose. Dans les monosaccharides, le nombre d'atomes de carbone varie généralement de trois à six. La plupart des noms de monosaccharides se terminent par le suffixe -ose. Selon le nombre d'atomes de carbone dans le sucre, ils peuvent être appelés trioses (trois atomes de carbone), pentoses (cinq atomes de carbone) et hexoses (six atomes de carbone).

Les monosaccharides peuvent exister sous forme de chaîne linéaire ou de molécules en forme d'anneau dans des solutions aqueuses, ils se trouvent généralement sous forme d'anneau.

La formule chimique du glucose est C6H12O6. Chez la plupart des espèces vivantes, le glucose est une importante source d'énergie. Pendant la respiration cellulaire, l'énergie est libérée à partir du glucose, et cette énergie est utilisée pour aider à fabriquer l'adénosine triphosphate (ATP). Les plantes synthétisent du glucose en utilisant du dioxyde de carbone et de l'eau par le processus de photosynthèse, et le glucose, à son tour, est utilisé pour les besoins énergétiques de la plante. L'excès de glucose synthétisé est souvent stocké sous forme d'amidon qui est décomposé par d'autres organismes qui se nourrissent de plantes.

Le galactose (partie du lactose ou du sucre du lait) et le fructose (présent dans les fruits) sont d'autres monosaccharides courants. Bien que le glucose, le galactose et le fructose aient tous la même formule chimique (C6H12O6), ils diffèrent structurellement et chimiquement (et sont appelés isomères) en raison des arrangements différents des atomes dans la chaîne carbonée (figure 2.15).

Les disaccharides (di- = « deux ») se forment lorsque deux monosaccharides subissent une réaction de déshydratation (une réaction au cours de laquelle se produit l'élimination d'une molécule d'eau). Au cours de ce processus, le groupe hydroxyle (-OH) d'un monosaccharide se combine avec un atome d'hydrogène d'un autre monosaccharide, libérant une molécule d'eau (H2O) et formant une liaison covalente entre les atomes des deux molécules de sucre.

Les disaccharides courants comprennent le lactose, le maltose et le saccharose. Le lactose est un disaccharide constitué des monomères glucose et galactose. On le trouve naturellement dans le lait. Le maltose, ou sucre de malt, est un disaccharide formé à partir d'une réaction de déshydratation entre deux molécules de glucose. Le disaccharide le plus courant est le saccharose, ou sucre de table, qui est composé des monomères glucose et fructose.

Une longue chaîne de monosaccharides liés par des liaisons covalentes est connue sous le nom de polysaccharide (poly- = « beaucoup »). La chaîne peut être ramifiée ou non ramifiée, et elle peut contenir différents types de monosaccharides. Les polysaccharides peuvent être de très grosses molécules. L'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine sont des exemples de polysaccharides.

L'amidon est la forme stockée des sucres dans les plantes et est composé d'amylose et d'amylopectine (deux polymères du glucose). Les plantes sont capables de synthétiser du glucose, et l'excès de glucose est stocké sous forme d'amidon dans différentes parties de la plante, y compris les racines et les graines. L'amidon qui est consommé par les animaux est décomposé en molécules plus petites, telles que le glucose. Les cellules peuvent alors absorber le glucose.

Le glycogène est la forme de stockage du glucose chez l'homme et d'autres vertébrés, et est composé de monomères de glucose. Le glycogène est l'équivalent animal de l'amidon et est une molécule hautement ramifiée généralement stockée dans les cellules du foie et des muscles. Chaque fois que les niveaux de glucose diminuent, le glycogène est décomposé pour libérer du glucose.

La cellulose est l'un des biopolymères naturels les plus abondants. Les parois cellulaires des plantes sont principalement constituées de cellulose, qui fournit un support structurel à la cellule. Le bois et le papier sont principalement de nature cellulosique. La cellulose est composée de monomères de glucose qui sont liés par des liaisons entre des atomes de carbone particuliers dans la molécule de glucose.

Tous les autres monomères de glucose dans la cellulose sont retournés et emballés étroitement sous forme de longues chaînes étendues. Cela donne à la cellulose sa rigidité et sa haute résistance à la traction, ce qui est si important pour les cellules végétales. La cellulose qui traverse notre système digestif est appelée fibre alimentaire. Alors que les liaisons glucose-glucose dans la cellulose ne peuvent pas être décomposées par les enzymes digestives humaines, les herbivores tels que les vaches, les buffles et les chevaux sont capables de digérer l'herbe riche en cellulose et de l'utiliser comme source de nourriture. Chez ces animaux, certaines espèces de bactéries résident dans le système digestif des herbivores et sécrètent l'enzyme cellulase. L'appendice contient également des bactéries qui dégradent la cellulose, lui conférant un rôle important dans le système digestif de certains ruminants. Les cellulases peuvent décomposer la cellulose en monomères de glucose qui peuvent être utilisés comme source d'énergie par l'animal.

Les glucides remplissent d'autres fonctions chez différents animaux. Les arthropodes, tels que les insectes, les araignées et les crabes, ont un squelette externe, appelé exosquelette, qui protège les parties internes de leur corps. Cet exosquelette est composé de la macromolécule biologique chitine, qui est un glucide azoté. Il est composé d'unités répétitives d'un sucre modifié contenant de l'azote.

Ainsi, grâce à des différences de structure moléculaire, les glucides sont capables de remplir les fonctions très différentes de stockage d'énergie (amidon et glycogène) et de soutien structurel et de protection (cellulose et chitine) (Figure 2.16).

Connexion carrière

Diététiste professionnelle

L'obésité est un problème de santé mondial et de nombreuses maladies, telles que le diabète et les maladies cardiaques, sont de plus en plus répandues en raison de l'obésité. C'est l'une des raisons pour lesquelles les diététistes sont de plus en plus sollicités pour obtenir des conseils. Les diététistes professionnelles aident à planifier des programmes d'alimentation et de nutrition pour les personnes dans divers contextes. Ils travaillent souvent avec des patients dans des établissements de santé, concevant des plans de nutrition pour prévenir et traiter les maladies. Par exemple, les diététistes peuvent enseigner à un patient diabétique comment gérer sa glycémie en consommant les bons types et quantités de glucides. Les diététistes peuvent également travailler dans des maisons de soins infirmiers, des écoles et des cabinets privés.

Pour devenir diététiste, il faut obtenir au moins un baccalauréat en diététique, nutrition, technologie alimentaire ou dans un domaine connexe. De plus, les diététistes doivent suivre un programme de stage supervisé et réussir un examen national. Ceux qui poursuivent une carrière en diététique suivent des cours de nutrition, de chimie, de biochimie, de biologie, de microbiologie et de physiologie humaine. Les diététistes doivent devenir des experts de la chimie et des fonctions des aliments (protéines, glucides et lipides).

Lipides

Les lipides comprennent un groupe diversifié de composés qui sont unis par une caractéristique commune. Les lipides sont hydrophobes (« craignant l'eau »), ou insolubles dans l'eau, car ce sont des molécules non polaires. En effet, ce sont des hydrocarbures qui ne contiennent que des liaisons non polaires carbone-carbone ou carbone-hydrogène. Les lipides remplissent de nombreuses fonctions différentes dans une cellule. Les cellules stockent de l'énergie pour une utilisation à long terme sous forme de lipides appelés graisses. Les lipides fournissent également une isolation de l'environnement pour les plantes et les animaux (figure 2.17). Par exemple, ils aident à garder les oiseaux aquatiques et les mammifères au sec en raison de leur nature hydrofuge. Les lipides sont également les éléments constitutifs de nombreuses hormones et sont un constituant important de la membrane plasmique. Les lipides comprennent les graisses, les huiles, les cires, les phospholipides et les stéroïdes.

Une molécule de graisse, comme un triglycéride, se compose de deux composants principaux : le glycérol et les acides gras.Le glycérol est un composé organique avec trois atomes de carbone, cinq atomes d'hydrogène et trois groupes hydroxyle (-OH). Les acides gras ont une longue chaîne d'hydrocarbures auxquels un groupe carboxyle acide est attaché, d'où le nom «acide gras». Le nombre de carbones dans l'acide gras peut aller de 4 à 36, les plus courants sont ceux contenant 12 à 18 carbones. Dans une molécule de graisse, un acide gras est attaché à chacun des trois atomes d'oxygène dans les groupes -OH de la molécule de glycérol par une liaison covalente (figure 2.18).

Au cours de cette formation de liaison covalente, trois molécules d'eau sont libérées. Les trois acides gras contenus dans la graisse peuvent être similaires ou différents. Ces graisses sont également appelées triglycérides car elles contiennent trois acides gras. Certains acides gras ont des noms communs qui précisent leur origine. Par exemple, l'acide palmitique, un acide gras saturé, est dérivé du palmier. L'acide arachidique est dérivé de Arachis hypogée, le nom scientifique des arachides.

Les acides gras peuvent être saturés ou insaturés. Dans une chaîne d'acide gras, s'il n'y a que des liaisons simples entre les carbones voisins de la chaîne hydrocarbonée, l'acide gras est saturé. Les acides gras saturés sont saturés d'hydrogène, c'est-à-dire que le nombre d'atomes d'hydrogène attachés au squelette carboné est maximisé.

Lorsque la chaîne hydrocarbonée contient une double liaison, l'acide gras est un acide gras insaturé.

La plupart des graisses insaturées sont liquides à température ambiante et sont appelées huiles. S'il y a une double liaison dans la molécule, alors elle est connue comme une graisse monoinsaturée (par exemple, l'huile d'olive), et s'il y a plus d'une double liaison, alors elle est connue comme une graisse polyinsaturée (par exemple, l'huile de canola).

Les graisses saturées ont tendance à se tasser étroitement et sont solides à température ambiante. Les graisses animales contenant de l'acide stéarique et de l'acide palmitique contenus dans la viande et la graisse contenant de l'acide butyrique contenue dans le beurre sont des exemples de graisses saturées. Les mammifères stockent les graisses dans des cellules spécialisées appelées adipocytes, où les globules de graisse occupent la majeure partie de la cellule. Chez les plantes, la graisse ou l'huile est stockée dans les graines et est utilisée comme source d'énergie pendant le développement embryonnaire.

Les graisses ou huiles insaturées sont généralement d'origine végétale et contiennent des acides gras insaturés. La double liaison provoque une courbure ou un « pli » qui empêche les acides gras de se tasser étroitement, les gardant liquides à température ambiante. L'huile d'olive, l'huile de maïs, l'huile de canola et l'huile de foie de morue sont des exemples de graisses insaturées. Les graisses insaturées contribuent à améliorer le taux de cholestérol sanguin, tandis que les graisses saturées contribuent à la formation de plaque dans les artères, ce qui augmente le risque de crise cardiaque.

Dans l'industrie alimentaire, les huiles sont artificiellement hydrogénées pour les rendre semi-solides, ce qui réduit la détérioration et augmente la durée de conservation. En termes simples, l'hydrogène gazeux est mis à barboter à travers les huiles pour les solidifier. Au cours de ce processus d'hydrogénation, les doubles liaisons du cis-la conformation dans la chaîne hydrocarbonée peut être convertie en doubles liaisons dans le trans-conformation. Cela forme un trans-graisse d'un cis-gros. L'orientation des doubles liaisons affecte les propriétés chimiques de la graisse (figure 2.19).

La margarine, certains types de beurre d'arachide et le shortening sont des exemples de trans-les graisses. Des études récentes ont montré qu'une augmentation de trans-les graisses dans l'alimentation humaine peuvent entraîner une augmentation des taux de lipoprotéines de basse densité (LDL) ou « mauvais » cholestérol, ce qui, à son tour, peut entraîner un dépôt de plaque dans les artères, entraînant une maladie cardiaque. De nombreux restaurants de restauration rapide ont récemment éliminé l'utilisation de trans-les matières grasses, et les étiquettes des aliments aux États-Unis sont désormais tenues de répertorier leurs trans-Teneur en matières grasses.

Les acides gras essentiels sont des acides gras nécessaires mais non synthétisés par le corps humain. Par conséquent, ils doivent être complétés par l'alimentation. Les acides gras oméga-3 entrent dans cette catégorie et sont l'un des deux seuls acides gras essentiels connus pour l'homme (l'autre étant les acides gras oméga-6). Ils sont un type de graisse polyinsaturée et sont appelés acides gras oméga-3 car le troisième carbone de la fin de l'acide gras participe à une double liaison.

Le saumon, la truite et le thon sont de bonnes sources d'acides gras oméga-3. Les acides gras oméga-3 sont importants dans le fonctionnement du cerveau et dans la croissance et le développement normaux. Ils peuvent également prévenir les maladies cardiaques et réduire le risque de cancer.

Comme les glucides, les graisses ont reçu beaucoup de mauvaise publicité. Il est vrai que manger un excès d'aliments frits et autres aliments « gras » entraîne une prise de poids. Cependant, les graisses ont des fonctions importantes. Les graisses servent de stockage d'énergie à long terme. Ils assurent également l'isolation du corps. Par conséquent, des graisses insaturées « saines » en quantités modérées doivent être consommées régulièrement.

Les phospholipides sont le constituant majeur de la membrane plasmique. Comme les graisses, elles sont composées de chaînes d'acides gras attachées à un glycérol ou à un squelette similaire. Au lieu de trois acides gras attachés, cependant, il y a deux acides gras et le troisième carbone du squelette du glycérol est lié à un groupe phosphate. Le groupe phosphate est modifié par l'ajout d'un alcool.

Un phospholipide possède à la fois des régions hydrophobes et hydrophiles. Les chaînes d'acides gras sont hydrophobes et s'excluent de l'eau, alors que le phosphate est hydrophile et interagit avec l'eau.

Les cellules sont entourées d'une membrane, qui a une bicouche de phospholipides. Les acides gras des phospholipides sont tournés vers l'intérieur, à l'opposé de l'eau, tandis que le groupement phosphate peut être tourné soit vers l'extérieur, soit vers l'intérieur de la cellule, tous deux aqueux.

Stéroïdes et cires

Contrairement aux phospholipides et aux graisses évoqués précédemment, les stéroïdes ont une structure en anneau. Bien qu'ils ne ressemblent pas aux autres lipides, ils sont regroupés avec eux car ils sont également hydrophobes. Tous les stéroïdes ont quatre anneaux de carbone liés et plusieurs d'entre eux, comme le cholestérol, ont une queue courte.

Le cholestérol est un stéroïde. Le cholestérol est principalement synthétisé dans le foie et est le précurseur de nombreuses hormones stéroïdes, telles que la testostérone et l'estradiol. C'est également le précurseur des vitamines E et K. Le cholestérol est le précurseur des sels biliaires, qui contribuent à la dégradation des graisses et à leur absorption ultérieure par les cellules. Bien que le cholestérol soit souvent évoqué en termes négatifs, il est nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme. C'est un composant clé des membranes plasmiques des cellules animales.

Les cires sont constituées d'une chaîne hydrocarbonée avec un groupe alcool (-OH) et un acide gras. Des exemples de cires animales comprennent la cire d'abeille et la lanoline. Les plantes ont également des cires, telles que le revêtement sur leurs feuilles, qui les empêchent de se dessécher.

Concepts en action

Pour une perspective supplémentaire sur les lipides, explorez « Biomolécules : les lipides » à travers cette animation interactive.

Protéines

Les protéines sont l'une des molécules organiques les plus abondantes dans les systèmes vivants et ont la gamme de fonctions la plus diversifiée de toutes les macromolécules. Les protéines peuvent être structurelles, régulatrices, contractiles ou protectrices, elles peuvent servir au transport, au stockage ou aux membranes ou elles peuvent être des toxines ou des enzymes. Chaque cellule d'un système vivant peut contenir des milliers de protéines différentes, chacune ayant une fonction unique. Leurs structures, comme leurs fonctions, varient considérablement. Ce sont tous, cependant, des polymères d'acides aminés, disposés en séquence linéaire.

Les fonctions des protéines sont très diverses car il existe 20 acides aminés différents chimiquement distincts qui forment de longues chaînes, et les acides aminés peuvent être dans n'importe quel ordre. Par exemple, les protéines peuvent fonctionner comme des enzymes ou des hormones. Les enzymes, qui sont produites par les cellules vivantes, sont des catalyseurs de réactions biochimiques (comme la digestion) et sont généralement des protéines. Chaque enzyme est spécifique du substrat (un réactif qui se lie à une enzyme) sur lequel elle agit. Les enzymes peuvent fonctionner pour rompre les liaisons moléculaires, pour réarranger des liaisons ou pour former de nouvelles liaisons. Un exemple d'enzyme est l'amylase salivaire, qui décompose l'amylose, un composant de l'amidon.

Les hormones sont des molécules de signalisation chimiques, généralement des protéines ou des stéroïdes, sécrétées par une glande endocrine ou un groupe de cellules endocrines qui agissent pour contrôler ou réguler des processus physiologiques spécifiques, notamment la croissance, le développement, le métabolisme et la reproduction. Par exemple, l'insuline est une hormone protéique qui maintient la glycémie.

Les protéines ont des formes et des poids moléculaires différents, certaines protéines sont de forme globulaire tandis que d'autres sont de nature fibreuse. Par exemple, l'hémoglobine est une protéine globulaire, mais le collagène, présent dans notre peau, est une protéine fibreuse. La forme des protéines est essentielle à sa fonction. Les changements de température, de pH et d'exposition à des produits chimiques peuvent entraîner des modifications permanentes de la forme de la protéine, entraînant une perte de fonction ou une dénaturation (cela sera discuté plus en détail plus tard). Toutes les protéines sont constituées d'arrangements différents des mêmes 20 types d'acides aminés.

Les acides aminés sont les monomères qui composent les protéines. Chaque acide aminé a la même structure fondamentale, qui consiste en un atome de carbone central lié à un groupe aminé (-NH2), un groupe carboxyle (-COOH) et un atome d'hydrogène. Chaque acide aminé a également un autre atome variable ou groupe d'atomes lié à l'atome de carbone central connu sous le nom de groupe R. Le groupe R est la seule différence de structure entre les 20 acides aminés sinon, les acides aminés sont identiques (Figure 2.20).

La nature chimique du groupe R détermine la nature chimique de l'acide aminé dans sa protéine (c'est-à-dire s'il est acide, basique, polaire ou non polaire).

La séquence et le nombre d'acides aminés déterminent en fin de compte la forme, la taille et la fonction d'une protéine. Chaque acide aminé est lié à un autre acide aminé par une liaison covalente, appelée liaison peptidique, qui est formée par une réaction de déshydratation. Le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe aminé d'un deuxième acide aminé se combinent, libérant une molécule d'eau. La liaison résultante est la liaison peptidique.

Les produits formés par une telle liaison sont appelés polypeptides. Alors que les termes polypeptide et protéine sont parfois utilisés de manière interchangeable, un polypeptide est techniquement un polymère d'acides aminés, alors que le terme protéine est utilisé pour un ou plusieurs polypeptides qui se sont combinés, ont une forme distincte et ont une fonction unique.

Connexion Évolution

L'importance évolutive du cytochrome c

Le cytochrome c est un composant important de la machinerie moléculaire qui récupère l'énergie du glucose. Parce que le rôle de cette protéine dans la production d'énergie cellulaire est crucial, elle a très peu changé au cours des millions d'années. Le séquençage des protéines a montré qu'il existe une quantité considérable de similitudes de séquences entre les molécules du cytochrome c de différentes espèces. Les relations évolutives peuvent être évaluées en mesurant les similitudes ou les différences entre les séquences de protéines de diverses espèces.

Par exemple, les scientifiques ont déterminé que le cytochrome c humain contient 104 acides aminés. Pour chaque molécule de cytochrome c qui a été séquencée à ce jour à partir d'organismes différents, 37 de ces acides aminés apparaissent à la même position dans chaque cytochrome c. Cela indique que tous ces organismes descendent d'un ancêtre commun. En comparant les séquences des protéines humaines et de chimpanzé, aucune différence de séquence n'a été trouvée. Lorsque les séquences de l'homme et du singe rhésus ont été comparées, une seule différence a été trouvée dans un acide aminé. En revanche, les comparaisons homme-levure montrent une différence dans 44 acides aminés, suggérant que les humains et les chimpanzés ont un ancêtre commun plus récent que les humains et le singe rhésus, ou les humains et la levure.

Structure des protéines

Comme indiqué précédemment, la forme d'une protéine est essentielle à sa fonction. Pour comprendre comment la protéine obtient sa forme ou sa conformation finale, nous devons comprendre les quatre niveaux de structure de la protéine : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire (Figure 2.21).

La séquence et le nombre uniques d'acides aminés dans une chaîne polypeptidique constituent sa structure primaire. La séquence unique de chaque protéine est finalement déterminée par le gène qui code la protéine. Tout changement dans la séquence du gène peut entraîner l'ajout d'un acide aminé différent à la chaîne polypeptidique, provoquant un changement dans la structure et la fonction de la protéine. Dans l'anémie falciforme, la chaîne β de l'hémoglobine a une seule substitution d'acide aminé, provoquant une modification à la fois de la structure et de la fonction de la protéine. Ce qui est le plus remarquable à considérer, c'est qu'une molécule d'hémoglobine est composée de deux chaînes alpha et de deux chaînes bêta composées chacune d'environ 150 acides aminés. La molécule a donc environ 600 acides aminés. La différence structurelle entre une molécule d'hémoglobine normale et une molécule de drépanocytose - qui diminue considérablement l'espérance de vie des individus affectés - est un seul acide aminé des 600.

En raison de ce changement d'un acide aminé dans la chaîne, les globules rouges normalement biconcaves ou en forme de disque prennent une forme de croissant ou de « faucille », qui obstrue les artères. Cela peut entraîner une myriade de problèmes de santé graves, tels qu'un essoufflement, des étourdissements, des maux de tête et des douleurs abdominales pour les personnes atteintes de cette maladie.

Les motifs de pliage résultant des interactions entre les parties non-R des groupes d'acides aminés donnent naissance à la structure secondaire de la protéine. Les plus courantes sont les structures en feuille à plis alpha (α) et bêta (β). Les deux structures sont maintenues en forme par des liaisons hydrogène. Dans l'hélice alpha, les liaisons se forment entre un acide aminé sur quatre et provoquent une torsion dans la chaîne d'acides aminés.

Dans la feuille à plis , les « plis » sont formés par des liaisons hydrogène entre des atomes sur le squelette de la chaîne polypeptidique. Les groupes R sont attachés aux carbones et s'étendent au-dessus et au-dessous des plis du pli. Les segments plissés s'alignent parallèlement les uns aux autres et des liaisons hydrogène se forment entre les mêmes paires d'atomes sur chacun des acides aminés alignés. Les structures en feuillets en hélice et en feuillets se trouvent dans de nombreuses protéines globulaires et fibreuses.

La structure tridimensionnelle unique d'un polypeptide est connue sous le nom de structure tertiaire. Cette structure est causée par des interactions chimiques entre divers acides aminés et régions du polypeptide. Principalement, les interactions entre les groupes R créent la structure tertiaire tridimensionnelle complexe d'une protéine. Il peut y avoir des liaisons ioniques formées entre les groupes R sur différents acides aminés, ou des liaisons hydrogène au-delà de celles impliquées dans la structure secondaire. Lorsque le repliement des protéines a lieu, les groupes R hydrophobes des acides aminés non polaires se trouvent à l'intérieur de la protéine, tandis que les groupes R hydrophiles se trouvent à l'extérieur. Les premiers types d'interactions sont également appelés interactions hydrophobes.

Dans la nature, certaines protéines sont formées de plusieurs polypeptides, également appelés sous-unités, et l'interaction de ces sous-unités forme la structure quaternaire. De faibles interactions entre les sous-unités aident à stabiliser la structure globale. Par exemple, l'hémoglobine est une combinaison de quatre sous-unités polypeptidiques.

Chaque protéine a sa propre séquence et sa propre forme, maintenues ensemble par des interactions chimiques. Si la protéine est soumise à des changements de température, de pH ou d'exposition à des produits chimiques, la structure de la protéine peut changer, perdant sa forme dans ce que l'on appelle la dénaturation, comme indiqué précédemment. La dénaturation est souvent réversible car la structure primaire est préservée si l'agent dénaturant est éliminé, permettant à la protéine de reprendre sa fonction. Parfois, la dénaturation est irréversible, entraînant une perte de fonction. Un exemple de dénaturation des protéines peut être observé lorsqu'un œuf est frit ou bouilli. La protéine d'albumine dans le blanc d'œuf liquide est dénaturée lorsqu'elle est placée dans une casserole chaude, passant d'une substance claire à une substance blanche opaque. Toutes les protéines ne sont pas dénaturées à haute température, par exemple, les bactéries qui survivent dans les sources chaudes ont des protéines adaptées pour fonctionner à ces températures.

Concepts en action

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Acides nucléiques

Les acides nucléiques sont des macromolécules clés dans la continuité de la vie. Ils portent le plan génétique d'une cellule et portent des instructions pour le fonctionnement de la cellule.

Les deux principaux types d'acides nucléiques sont l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). L'ADN est le matériel génétique présent dans tous les organismes vivants, allant des bactéries unicellulaires aux mammifères multicellulaires.

L'autre type d'acide nucléique, l'ARN, est principalement impliqué dans la synthèse des protéines. Les molécules d'ADN ne quittent jamais le noyau, mais utilisent plutôt un intermédiaire ARN pour communiquer avec le reste de la cellule. D'autres types d'ARN sont également impliqués dans la synthèse des protéines et leur régulation.

L'ADN et l'ARN sont constitués de monomères appelés nucléotides. Les nucléotides se combinent pour former un polynucléotide, un ADN ou un ARN. Chaque nucléotide est composé de trois composants : une base azotée, un sucre pentose (cinq carbones) et un groupe phosphate (figure 2.22). Chaque base azotée d'un nucléotide est liée à une molécule de sucre, qui est liée à un groupe phosphate.

Structure en double hélice d'ADN

L'ADN a une structure en double hélice (figure 2.23). Il est composé de deux brins, ou polymères, de nucléotides. Les brins sont formés avec des liaisons entre les groupes phosphate et sucre de nucléotides adjacents. Les brins sont liés les uns aux autres à leurs bases par des liaisons hydrogène, et les brins s'enroulent les uns sur les autres sur toute leur longueur, d'où la description de « double hélice », qui signifie une double spirale.

Les groupes de sucre et de phosphate en alternance se trouvent à l'extérieur de chaque brin, formant l'épine dorsale de l'ADN. Les bases azotées sont empilées à l'intérieur, comme les marches d'un escalier, et ces bases appariées les paires sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène. Les bases s'apparient de telle sorte que la distance entre les squelettes des deux brins soit la même tout au long de la molécule.

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    • Auteurs : Samantha Fowler, Rebecca Roush, James Wise
    • Éditeur/site Web : OpenStax
    • Titre du livre: Concepts of Biology
    • Date de parution : 25 avril 2013
    • Lieu : Houston, Texas
    • URL du livre : https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction
    • URL de la section : https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/2-3-biological-molecules

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    Structure

    Généralement, les acides aminés ont les propriétés structurelles suivantes :

    • Un carbone (le carbone alpha)
    • Un atome d'hydrogène (H)
    • Un groupe carboxyle (-COOH)
    • Un groupe Amino (-NH2)
    • Un groupe "variable" ou groupe "R"

    Tous les acides aminés ont le carbone alpha lié à un atome d'hydrogène, un groupe carboxyle et un groupe amino. Le groupe "R" varie parmi les acides aminés et détermine les différences entre ces monomères protéiques. La séquence d'acides aminés d'une protéine est déterminée par l'information trouvée dans le code génétique cellulaire. Le code génétique est la séquence de bases nucléotidiques dans les acides nucléiques (ADN et ARN) qui codent pour les acides aminés. Ces codes génétiques déterminent non seulement l'ordre des acides aminés dans une protéine, mais ils déterminent également la structure et la fonction d'une protéine.


    DEVELOPPEMENTS récents

    Création de tissus

    La surface osseuse naturelle contient assez souvent des caractéristiques d'environ 100 nm de diamètre. Si la surface d'un implant osseux artificiel était laissée lisse, le corps essaierait de le rejeter. En raison de cette surface lisse est susceptible de provoquer la production d'un tissu fibreux recouvrant la surface de l'implant. Cette couche réduit le contact os-implant, ce qui peut entraîner un descellement de l'implant et une inflammation supplémentaire. Il a été démontré qu'en créant des caractéristiques de taille nanométrique à la surface de la prothèse de hanche ou de genou, on pouvait réduire les risques de rejet ainsi que stimuler la production d'ostéoblastes. Les ostéoblastes sont les cellules responsables de la croissance de la matrice osseuse et se trouvent sur la surface avançante de l'os en développement.

    L'effet a été démontré avec des matériaux polymères, céramiques et, plus récemment, métalliques. Plus de 90 % des cellules osseuses humaines issues de la suspension adhéraient à la surface métallique nanostructurée [27], mais seulement 50 % dans l'échantillon témoin. En fin de compte, ces résultats permettraient de concevoir des prothèses de hanche ou de genou plus durables et plus durables et de réduire les risques de détachement de l'implant.

    Le titane est un matériau de réparation osseuse bien connu, largement utilisé en orthopédie et en dentisterie. Il a une résistance à la rupture, une ductilité et un rapport poids/résistance élevés. Malheureusement, il souffre du manque de bioactivité, car il ne supporte pas bien l'adhésion et la croissance. Les revêtements d'apatite sont connus pour être bioactifs et se lier à l'os. Par conséquent, plusieurs techniques ont été utilisées dans le passé pour produire un revêtement d'apatite sur du titane. Ces revêtements souffrent d'une non-uniformité d'épaisseur, d'une mauvaise adhérence et d'une faible résistance mécanique. De plus, une structure poreuse stable est nécessaire pour soutenir le transport des nutriments à travers la croissance cellulaire.

    Il a été montré que l'utilisation d'une approche biomimétique - une croissance lente d'un film d'apatite nanostructuré à partir du fluide corporel simulé - entraînait la formation d'une couche nanoporeuse uniforme et fortement adhérente [19]. La couche s'est avérée être constituée de cristallites de 60 nm et posséder une structure nanoporeuse et une bioactivité stables.

    Un vrai os est un matériau nanocomposite, composé de cristallites d'hydroxyapatite dans la matrice organique, qui est principalement composée de collagène. Grâce à cela, l'os est mécaniquement résistant et, en même temps, plastique, il peut donc se remettre d'un dommage mécanique. Le mécanisme réel à l'échelle nanométrique conduisant à cette combinaison utile de propriétés est encore débattue.

    Un matériau hybride artificiel a été préparé à partir de nanoparticules de céramique de 15-18 nm et de copolymère de poly (méthacrylate de méthyle) [20]. En utilisant l'approche tribologique, un comportement viscoélastique (cicatrisation) des dents humaines a été démontré. Un matériau hybride étudié, déposé sous forme de revêtement sur la surface de la dent, a amélioré la résistance aux rayures et possédait un comportement de cicatrisation similaire à celui de la dent.

    Traitement du cancer

    La thérapie photodynamique du cancer est basée sur la destruction des cellules cancéreuses par l'oxygène atomique généré par laser, qui est cytotoxique. Une plus grande quantité d'un colorant spécial qui est utilisé pour générer l'oxygène atomique est absorbée par les cellules cancéreuses par rapport à un tissu sain. Ainsi, seules les cellules cancéreuses sont détruites puis exposées à un rayonnement laser. Malheureusement, les molécules de colorant restantes migrent vers la peau et les yeux et rendent le patient très sensible à l'exposition à la lumière du jour. Cet effet peut durer jusqu'à six semaines.

    Pour éviter cet effet secondaire, la version hydrophobe de la molécule de colorant a été enfermée à l'intérieur d'une nanoparticule poreuse [28]. Le colorant est resté piégé à l'intérieur de la nanoparticule d'Ormosil et ne s'est pas propagé aux autres parties du corps. Dans le même temps, sa capacité à générer de l'oxygène n'a pas été affectée et la taille des pores d'environ 1 nm a permis à l'oxygène de se diffuser librement.

    Codage optique multicolore pour dosages biologiques [29]

    La recherche sans cesse croissante en protéomique et en génomique génère un nombre croissant de données de séquences et nécessite le développement de technologies de criblage à haut débit. De manière réaliste, diverses technologies de matrice actuellement utilisées dans l'analyse parallèle sont susceptibles d'atteindre la saturation lorsqu'un nombre d'éléments de matrice dépasse plusieurs millions. Une approche tridimensionnelle, basée sur le « codage à barres » optique des particules de polymère en solution, n'est limitée que par le nombre d'étiquettes uniques que l'on peut produire et détecter de manière fiable.

    Des points quantiques uniques de semi-conducteurs composés ont été utilisés avec succès en remplacement de colorants organiques dans diverses applications de bio-étiquetage [7]. Cette idée a été poussée plus loin en combinant des points quantiques de tailles différentes et donc de couleurs fluorescentes différentes, et en les combinant dans des microbilles polymères [29]. Un contrôle précis des rapports de points quantiques a été réalisé. La sélection de nanoparticules utilisées dans ces expériences avait 6 couleurs différentes ainsi que 10 intensités. Il suffit d'encoder plus d'un million de combinaisons. L'uniformité et la reproductibilité des billes étaient élevées pour une précision d'identification des billes de 99,99 %.

    Manipulation de cellules et de biomolécules [30]

    Les nanoparticules magnétiques fonctionnalisées ont trouvé de nombreuses applications, y compris la séparation cellulaire et l'exploration de ces applications et d'autres sont discutées dans une revue récente [8]. La plupart des particules magnétiques étudiées jusqu'à présent sont sphériques, ce qui limite quelque peu les possibilités de rendre ces nanoparticules multifonctionnelles. Des nanoparticules de forme cylindrique alternatives peuvent être créées en utilisant l'électrodéposition de métal dans un modèle d'alumine nanoporeuse [30]. Selon les propriétés du modèle, le rayon des nanocylindres peut être sélectionné dans la plage de 5 à 500 nm tandis que leur longueur peut atteindre 60 m. En déposant successivement différentes épaisseurs de différents métaux, la structure et les propriétés magnétiques des cylindres individuels peuvent être largement ajustées.

    Comme la chimie de surface pour la fonctionnalisation des surfaces métalliques est bien développée, différents ligands peuvent être sélectivement attachés à différents segments. Par exemple, des porphyrines avec des lieurs thiol ou carboxyle étaient simultanément attachées aux segments d'or ou de nickel respectivement. Ainsi, il est possible de produire des nanofils magnétiques avec des parties fluorescentes spatialement séparées. De plus, en raison des grands rapports de forme, l'aimantation résiduelle de ces nanofils peut être élevée. Par conséquent, un champ magnétique plus faible peut être utilisé pour les entraîner. Il a été montré qu'un auto-assemblage de nanofils magnétiques en suspension peut être contrôlé par de faibles champs magnétiques externes. Cela permettrait potentiellement de contrôler l'assemblage des cellules sous différentes formes et formes. De plus, un champ magnétique externe peut être combiné avec un motif magnétique défini par lithographie ("piégeage magnétique").

    Détection de protéines [31]

    Les protéines sont la partie importante du langage, de la machinerie et de la structure de la cellule, et la compréhension de leurs fonctionnalités est extrêmement importante pour de nouveaux progrès dans le bien-être humain. Les nanoparticules d'or sont largement utilisées en immunohistochimie pour identifier l'interaction protéine-protéine. Cependant, les capacités de détection simultanée multiple de cette technique sont assez limitées. La spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface est une technique bien établie pour la détection et l'identification de molécules de colorant uniques. En combinant les deux méthodes dans une seule sonde nanoparticulaire, on peut considérablement améliorer les capacités de multiplexage des sondes protéiques. Le groupe du professeur Mirkin a conçu une sonde multifonctionnelle sophistiquée qui est construite autour d'une nanoparticule d'or de 13 nm. Les nanoparticules sont recouvertes d'oligonucléotides hydrophiles contenant un colorant Raman à une extrémité et coiffées à l'extrémité d'un élément de reconnaissance de petite molécule (par exemple, la biotine). De plus, cette molécule est catalytiquement active et sera enrobée d'argent dans la solution d'Ag(I) et d'hydroquinone. Une fois que la sonde est attachée à une petite molécule ou à un antigène qu'elle est conçue pour détecter, le substrat est exposé à une solution d'argent et d'hydroquinone. Un placage d'argent se produit à proximité du colorant Raman, ce qui permet la détection de la signature du colorant avec un microscope Raman standard. En plus d'être capable de reconnaître de petites molécules, cette sonde peut être modifiée pour contenir des anticorps à la surface pour reconnaître les protéines. Lorsqu'elle a été testée dans le format de matrice de protéines contre de petites molécules et des protéines, la sonde n'a montré aucune réactivité croisée.

    Exploration commerciale

    Certaines des entreprises impliquées dans le développement et la commercialisation de nanomatériaux dans des applications biologiques et médicales sont énumérées ci-dessous (voir le tableau 1). La majorité des entreprises sont de petites entreprises dérivées récentes de divers instituts de recherche. Bien qu'elle ne soit pas exhaustive, cette sélection est représentative des tendances industrielles actuelles. La plupart des entreprises développent des applications pharmaceutiques, principalement pour l'administration de médicaments. Plusieurs entreprises exploitent les effets de taille quantique dans les nanocristaux semi-conducteurs pour marquer des biomolécules, ou utilisent des nanoparticules d'or bio-conjuguées pour marquer diverses parties cellulaires. Un certain nombre d'entreprises appliquent des matériaux nanocéramiques à l'ingénierie tissulaire et à l'orthopédie.

    La plupart des sociétés pharmaceutiques majeures et établies ont des programmes de recherche internes sur l'administration de médicaments qui portent sur des formulations ou des dispersions contenant des composants jusqu'à la taille nanométrique. L'argent colloïdal est largement utilisé dans les formulations et les pansements antimicrobiens. La haute réactivité des nanoparticules de dioxyde de titane, seules ou ensuite éclairées par des rayons UV, est également utilisée à des fins bactéricides dans les filtres. Les propriétés catalytiques améliorées des surfaces de nano-céramiques ou de métaux nobles comme le platine sont utilisées pour détruire les toxines dangereuses et autres matières organiques dangereuses.

    Directions futures

    À l'heure actuelle, la majorité des applications commerciales des nanoparticules en médecine sont axées sur l'administration de médicaments. En biosciences, les nanoparticules remplacent les colorants organiques dans les applications qui nécessitent une photo-stabilité élevée ainsi que des capacités de multiplexage élevées. Il y a quelques développements dans la direction et le contrôle à distance des fonctions des nano-sondes, par exemple en conduisant des nanoparticules magnétiques vers la tumeur et en les faisant ensuite soit libérer la charge de médicament, soit simplement les chauffer afin de détruire les tissus environnants. La tendance majeure dans le développement ultérieur des nanomatériaux est de les rendre multifonctionnels et contrôlables par des signaux externes ou par l'environnement local, les transformant ainsi essentiellement en nano-dispositifs.


    Dunker, A.K., Brown, C.J., Lawson, J.D., Iakoucheva, L.M. & Obradovic, Z. Trouble intrinsèque et fonction des protéines. Biochimie 41, 6573–6582 (2002).

    Uversky, V. N. Protéines nativement dépliées : un point où la biologie attend la physique. Protéine Sci. 11, 739–756 (2002). Fournit un examen complet du domaine des protéines dépliées avec une analyse très précieuse. Il contient le tableau le plus à jour des protéines dépliées.

    Boesch, C., Bundi, A., Oppliger, M. & Wüthrich, K. 1 H études de résonance magnétique nucléaire de la conformation moléculaire du glucagon monomère en solution aqueuse. EUR. J. Biochem. 91, 209–214 (1978).

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