Au début de ce chapitre, une expérience célèbre a été décrite dans laquelle des scientifiques ont synthétisé des acides aminés dans des conditions simulant ceux présents sur terre bien avant l’évolution de la vie telle que nous la connaissons. Ces composés sont capables de se lier ensemble en un nombre essentiellement quelconque, donnant des molécules de taille essentiellement quelconque qui possèdent un large éventail de propriétés physiques et chimiques et remplissent de nombreuses fonctions vitales pour tous les organismes. Les molécules dérivées des acides aminés peuvent fonctionner en tant que composants structurels des cellules et des entités sous-cellulaires, en tant que sources de nutriments, en tant que réservoirs de stockage d’atomes et d’énergie et en tant qu’espèces fonctionnelles telles que les hormones, les enzymes, les récepteurs et les molécules de transport.

Acides aminés et liaisons peptidiques

Figure 1.

Un acide aminé est une molécule organique dans laquelle un atome d’hydrogène, un groupe carboxyle (–COOH) et un groupe amino (–NH2) sont tous liés au même atome de carbone, le carbone α. Le quatrième groupe lié au carbone α varie entre les différents acides aminés et s’appelle un résidu ou une chaîne latérale, représenté dans les formules structurelles par la lettre R. Un résidu est un monomère qui se produit lorsque deux acides aminés ou plus se combinent et éliminent les molécules d’eau. La structure primaire d’une protéine, une chaîne peptidique, est constituée de résidus d’acides aminés. Les caractéristiques uniques des groupes fonctionnels et des groupes R permettent à ces composants des acides aminés de former des liaisons hydrogène, ionique et disulfure, ainsi que des interactions polaires / non polaires nécessaires pour former des structures protéiques secondaires, tertiaires et quaternaires. Ces groupes sont composés principalement de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote et de soufre, sous forme d’hydrocarbures, d’acides, d’amides, d’alcools et d’amines. Quelques exemples illustrant ces possibilités sont donnés à la figure 1.

Les acides aminés peuvent se lier chimiquement par réaction du groupe acide carboxylique d’une molécule avec le groupe amine d’une autre. Cette réaction forme une liaison peptidique et une molécule d’eau et constitue un autre exemple de synthèse par déshydratation (Figure 2). Les molécules formées en liant chimiquement un nombre relativement modeste d’acides aminés (environ 50 ou moins) sont appelées peptides, et des préfixes sont souvent utilisés pour spécifier ces nombres: dipeptides (deux acides aminés), tripeptides (trois acides aminés), etc. Plus généralement, le nombre approximatif d’acides aminés est désigné: les oligopeptides sont formés en joignant jusqu’à environ 20 acides aminés, tandis que les polypeptides sont synthétisés à partir de jusqu’à environ 50 acides aminés. Lorsque le nombre d’acides aminés liés entre eux devient très important, ou lorsque plusieurs polypeptides sont utilisés comme sous-unités de construction, les macromolécules qui en résultent sont appelées protéines. La longueur variable en continu (le nombre de monomères) de ces biopolymères, ainsi que la variété de groupes R possibles sur chaque acide aminé, permettent une diversité presque illimitée dans les types de protéines qui peuvent être formées.

Figure 2. La formation de liaisons peptidiques est une réaction de synthèse de déshydratation. Le groupe carboxyle du premier acide aminé (alanine) est lié au groupe amino du deuxième acide aminé entrant (alanine). Dans le processus, une molécule d’eau est libérée.

Structure de la protéine

La taille (longueur) et la séquence spécifique d’acides aminés d’une protéine sont des déterminants majeurs de sa forme, et la forme d’une protéine est essentielle à sa fonction. Par exemple, dans le processus de fixation biologique de l’azote (voir Cycles biogéochimiques), les microorganismes du sol collectivement appelés rhizobia interagissent symbiotiquement avec les racines de légumineuses telles que le soja, les arachides ou les haricots pour former une nouvelle structure appelée nodule sur les racines des plantes. La plante produit ensuite une protéine porteuse appelée leghémoglobine, une protéine qui transporte l’azote ou l’oxygène. La léghémoglobine se lie avec une affinité très élevée à son substrat oxygène dans une région spécifique de la protéine où la forme et la séquence d’acides aminés sont appropriées (le site actif). Si la forme ou l’environnement chimique du site actif est modifié, même légèrement, le substrat peut ne pas être en mesure de se lier aussi fortement, ou il peut ne pas se lier du tout. Ainsi, pour que la protéine soit pleinement active, elle doit avoir la forme appropriée à sa fonction.

La structure des protéines est classée en quatre niveaux: primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. La structure primaire est simplement la séquence d’acides aminés qui composent la chaîne polypeptidique. La figure 3 représente la structure primaire d’une protéine.

Figure 3. Cliquez pour agrandir l’image. La structure primaire d’une protéine est la séquence des acides aminés. (crédit: modification des travaux de l’Institut national de Recherche sur le génome Humain)

La chaîne d’acides aminés qui définit la structure primaire d’une protéine n’est pas rigide, mais plutôt flexible en raison de la nature des liaisons qui maintiennent les acides aminés ensemble. Lorsque la chaîne est suffisamment longue, une liaison hydrogène peut se produire entre les groupes fonctionnels amine et carbonyle dans le squelette peptidique (à l’exclusion du groupe côté R), ce qui entraîne un repliement localisé de la chaîne polypeptidique en hélices et en feuilles. Ces formes constituent la structure secondaire d’une protéine. Les structures secondaires les plus courantes sont l’hélice α et la feuille plissée β. Dans la structure de l’hélice α, l’hélice est maintenue par des liaisons hydrogène entre l’atome d’oxygène dans un groupe carbonyle d’un acide aminé et l’atome d’hydrogène du groupe aminé qui se trouve à seulement quatre unités d’acides aminés le long de la chaîne. Dans la feuille β-plissée, les plis sont formés par des liaisons hydrogène similaires entre des séquences continues de groupes carbonyle et amino qui sont en outre séparées sur l’épine dorsale de la chaîne polypeptidique (Figure 4).

Figure 4. La structure secondaire d’une protéine peut être une hélice α ou une feuille β plissée, ou les deux.

Figure 5. Cliquez pour agrandir l’image. La structure tertiaire des protéines est déterminée par une variété de forces d’attraction, y compris les interactions hydrophobes, la liaison ionique, la liaison hydrogène et les liaisons disulfures.

Le niveau suivant d’organisation des protéines est la structure tertiaire, qui est la forme tridimensionnelle à grande échelle d’une chaîne polypeptidique unique. La structure tertiaire est déterminée par les interactions entre les résidus d’acides aminés éloignés dans la chaîne. Une variété d’interactions donnent lieu à une structure tertiaire des protéines, telles que des ponts disulfures, qui sont des liaisons entre les groupes fonctionnels sulfhydryle (–SH) sur les groupes latéraux des acides aminés; des liaisons hydrogène; des liaisons ioniques; et des interactions hydrophobes entre les chaînes latérales non polaires. Toutes ces interactions, faibles et fortes, se combinent pour déterminer la forme tridimensionnelle finale de la protéine et sa fonction (Figure 5).

Le processus par lequel une chaîne polypeptidique prend une forme tridimensionnelle à grande échelle est appelé repliement protéique. On dit que les protéines pliées qui sont pleinement fonctionnelles dans leur rôle biologique normal possèdent une structure native. Lorsqu’une protéine perd sa forme tridimensionnelle, elle peut ne plus être fonctionnelle. Ces protéines dépliées sont dénaturées. La dénaturation implique la perte de la structure secondaire et de la structure tertiaire (et, si elle est présente, de la structure quaternaire) sans perte de la structure primaire.

Certaines protéines sont des assemblages de plusieurs polypeptides distincts, également appelés sous-unités protéiques. Ces protéines ne fonctionnent correctement que lorsque toutes les sous-unités sont présentes et configurées de manière appropriée. Les interactions qui maintiennent ces sous-unités ensemble constituent la structure quaternaire de la protéine. La structure quaternaire globale est stabilisée par des interactions relativement faibles. L’hémoglobine, par exemple, a une structure quaternaire de quatre sous-unités protéiques globulaires: deux polypeptides α et deux polypeptides β, chacun contenant un hème à base de fer (Figure 6).

Figure 6. Une molécule d’hémoglobine possède deux polypeptides α et deux β ainsi que quatre groupes hémiques.

Une autre classe importante de protéines est les protéines conjuguées qui ont une partie non protéique. Si la protéine conjuguée a un hydrate de carbone attaché, on l’appelle une glycoprotéine. S’il a un lipide attaché, on l’appelle une lipoprotéine. Ces protéines sont des composants importants des membranes. La figure 7 résume les quatre niveaux de structure protéique.

Figure 7. La structure protéique a quatre niveaux d’organisation. (crédit: modification des travaux de l’Institut national de Recherche sur le génome Humain)

Structure primaire, Protéines dysfonctionnelles et Fibrose kystique

Figure 8. Cliquez pour agrandir l’image. La protéine CFTR normale est une protéine de canal qui aide le sel (chlorure de sodium) à entrer et à sortir des cellules.

Les protéines associées aux membranes biologiques sont classées comme extrinsèques ou intrinsèques. Les protéines extrinsèques, également appelées protéines périphériques, sont vaguement associées à un côté de la membrane. Les protéines intrinsèques, ou protéines intégrales, sont intégrées dans la membrane et fonctionnent souvent dans le cadre des systèmes de transport en tant que protéines transmembranaires. La fibrose kystique (FK) est une maladie génétique humaine causée par un changement de la protéine transmembranaire. Il affecte principalement les poumons, mais peut également affecter le pancréas, le foie, les reins et l’intestin. La FC est causée par une perte de l’acide aminé phénylalanine dans une protéine transmembranaire de la fibrose kystique (CFTR). La perte d’un acide aminé modifie la structure primaire d’une protéine qui aide normalement à transporter le sel et l’eau dans et hors des cellules (figure 8).

Le changement de la structure primaire empêche la protéine de fonctionner correctement, ce qui provoque la production par le corps d’un mucus inhabituellement épais qui obstrue les poumons et entraîne l’accumulation de mucus collant. Le mucus obstrue le pancréas et empêche les enzymes naturelles d’aider le corps à décomposer les aliments et à absorber les nutriments vitaux.

Dans les poumons des personnes atteintes de mucoviscidose, le mucus altéré fournit un environnement où les bactéries peuvent prospérer. Cette colonisation conduit à la formation de biofilms dans les petites voies respiratoires des poumons. Les agents pathogènes les plus courants trouvés dans les poumons des patients atteints de mucoviscidose sont Pseudomonas aeruginosa (figure 9a) et Burkholderia cepacia. Les pseudomonas se différencient au sein du biofilm du poumon et forment de grandes colonies, appelées Pseudomonas « mucoïdes ». Les colonies ont une pigmentation unique qui apparaît dans les tests de laboratoire (figure 9b) et fournit aux médecins le premier indice que le patient est atteint de mucoviscidose (de telles colonies sont rares chez les individus en bonne santé).

Figure 9. (a) Une micrographie électronique à balayage montre la bactérie opportuniste Pseudomonas aeruginosa. b) P produisant des pigments. aeruginosa sur gélose cétrimide montre le pigment vert appelé pyocyanine. (crédit a: modification des travaux des Centers for Disease Control and Prevention)