Description structurale et fonctionnelle des protéines

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Dernière mise à jour : 2016-02-01

1. Protéines fibreuses

Elles sont également nommées protéines fibrillaires. Elles constituent un tiers des protéines des vertébrés supérieurs. Elles ont une fonction dans la protection externe en étant les composants majeurs des couches les plus externes de la peau, des ongles, cheveux, corne. Elles interviennent aussi dans l'architecture des organismes par l'importance de leur présence dans les tissus conjonctifs, les tendons, les cartilages, les os, parfois dans le squelette intracellulaire (kératine).
On les trouvera aussi participant à la mobilité cellulaire (myosine, tropomyosine). Quelques protéines fibreuses participeront à des processus physiologiques comme la coagulation sanguine (c'est le cas du fibrinogène par exemple). Elles sont donc majoritairement insolubles ou peu solubles dans l'eau.

Les protéines fibreuses se distinguent des protéines globulaires par la monotonie de leur structure secondaire, elles ne comportent qu'un motif sur toute la longueur de leur chaîne. Les structures tertiaires et quaternaires ne les concernent donc pas. Elles compensent ce déficit en se juxtaposant pour créer des architectures dite de "degré d'organisation supérieur".

1.1. Kératine α

Elle tient son nom de sa forme caractéristique composée de longues hélices α. On la trouve en forte quantité dans la peau, les phanères et les ongles. Elle y parait ordonnée mais elle peut être trouvée sous une forme désordonnée dans le cytoplasme des cellules. Cette forme désordonnée est expliquée par l'absence de ponts disulfures dans le cytoplasme. Insoluble, sa chaîne polypeptidique est riche d'acides aminés à radicaux hydrophobes (ou peu solubles) : phénylalanine, isoleucine, valine, méthionine, alanine et quelques pourcents de cystéine. Comme ces chaînes sont orientées vers l'extérieur, vers l'eau, la partie externe des fibrilles de kératine α est hydrophobe donc insoluble.
La kératine des phanères est organisée en structure complexe. 3 hélices α s'enroulent pour former une protofibrille de diamètre: 20 angström. 11 protofibrilles s'associent pour former une microfibrille (diamètre : 80 angström). La réunion de plusieurs microfibrilles donne une macrofibrille, et celle-ci associée à d'autres macrofibrilles formera un cheveu/poil. Protofibrilles et microfibrilles pourront être stabilisées entre elles par des ponts disulfures (donc intercaténaires). On distingue, in fine, trois niveaux d'organisation protéique: la structure primaire, la structure secondaire et le surenroulement des hélices et juxtapositions.
La solidité des fibres est due à la présence de ponts disulfures. L'élasticité des fibres est fonction des liaisons hydrogènes. Chauffées en milieu humide et étirées, les hélices de la kératine doublent de dimension pour prendre la configuration d'un feuillet β plissé. Les ponts disulfures disparaissent et le nombre de liaisons hydrogènes diminue fortement laissant la structure polypeptidique atteindre cette configuration dans une certaine stabilité.

1.2. Le collagène

Le collagène est ubiquitaire et est donc le polypeptide le plus abondant chez les vertébrés supérieurs. On le trouve plus spécifiquement dans la peau, le cartilage, les ligaments, les tendons, les parois vasculaires, les os et les dents. Sa grande résistance à la traction est sa caractéristique principale ( une fibre d'1 mm de diamètre peut résister à une traction de 10 kg).
Il existe différentes sortes de collagène qui ont une organisation spécifique de leurs tissus. Ainsi le collagène de type I est le plus représenté constituant 90% du collagène corporel. Il entre dans la composition des tissus conjonctifs, comme les collagène de types II et III. Chaque subunité est longue de 300 nm. Comme pour la kératine, les subunités de collagène sont faites de trois chaînes polypeptidiques (1000 acides aminés chacune) qui se juxtaposent et s'enroulent pour former une super hélice gauche. Elle est très résistante et peut comporter à ses extrêmités des cristaux d'hydroxyapatite, dans le tissu osseux.
Le collagène est une protéine à la composition particulière car contenant des acides aminés hydroxylés. Elle est très riche en glycocolle puisque près d'un tiers des acides aminés en sont. Elle contient également de l'alanine (11%), proline (12%), lysine, OH-proline (9%), OH-lysine. L'hydroxylation de ces deux derniers acides aminés est co-traductionnelle et s'effectue par une hydroxylase en présence de vitamine C. Il est ici présent en tant que cofacteur. Son déficit est à l'origine des troubles du scorbut, donnant un collagène défectueux. La conformation en hélice gauche est la résultante de l'importante présence de proline et OH-proline, acides aminés cycliques. De façon post-traductionnelle il peut aussi y avoir addition d'oses sur les OH-lysines.
La présence non négligeable de lysine et OH-lysine est à l'origine de la stabilité des fibrilles de collagènes. En effet, des liaisons transversales intramoléculaires et intermoléculaires covalentes vont se mettre en place entre ces deux aminoacides. Ces ponts covalents s'établissent par des réactions chimiques complexes et seront en nombres variables d'un tissu à l'autre. Le nombre de pontage augmentant est responsable d'une plus grande rigidité: c'est ce qui passe avec le cartilage et l'avancée dans l'âge.

Les fibroblastes, cellules peu différenciées, synthétisent le collagène en plusieurs étapes.
D'abord, 4 étapes intracellulaires :

Puis, 4 étapes extra-cellulaires :

1.3. L'élastine

Elle est caractérisée par son extensibilité. On la trouve donc massivement dans les fibres élastiques, pouvant atteindre plusieurs fois sa longueur en étant étirée et retrouver rapidement ses dimensions et forme d'origine. Elle trouve donc aisément sa place dans les tissus conjonctifs élastiques aux côtés du collagène et de polyosides. Par ses qualités elle sera également trouvée à juste titre dans les parois des vaisseaux sanguins (permettant la modulation de la force du pompage pulsatile du sang par le coeur) et dans les poumons.

La tropo-élastine de 800 acides aminés est la subunité de l'élastine. Sa composition est proche de celle du collagène : 30% de glycine, 30% d'alanine et de valine, de nombreux résidus lysines et prolines aux extrémités.
Elle ne contient donc pas d'OH-prolines et d'OH-lysines, donc on n'observe pas les liaisons covalentes de type collagène mais des liaisons covalentes caractéristiques : des ponts desmosines s'établissant entre les lysines (4) des sous-unités. En fait les lysines et arginines sont en bout de segment et les radicaux de 4 lysines sont transformés en desmosine. Ainsi les chaînes de tropo-élastine sont unies et peuvent être étirées de façon réversible.
L'élastine est aussi caractérisée par son absence de forme : elle est amorphe. Elle ne comporte pas de structure secondaire.

1.4. Protéines de la matrice cellulaire et du tissu conjonctif

Trois composants majeurs entrent dans la constitution du tissu conjonctif : collagène, élastine et protéoglycanes. Les deux premiers composants sont des protéines fibreuses présents dans la plupart des tissus conjonctifs. Les protéoglycanes correspondent à des protéines liées par covalence à des glucides (90% de glucides). Ces trois constituants sont en étroites relations pour constituer tissu conjonctif et matrice cellulaire.

2. Protéines globulaires

Elles se différencient des protéines fibreuses par :

2.1. Protéines globulaires solubles

2.1.1. La myoglobine

La structure de la myoglobine est composée d'hélices α reliées par des coudes, soit 8 segments séquences. Le plus long segment possède 23 acides aminés et le plus court en possède 7. Sa fonction est de mettre en réserve l'oxygène dans la cellule musculaire.

2.1.2. La triose phosphate isomérase TPI

La triose phosphate isomérase une enzyme de la glycolyse permettant l'interconversion entre le glycéraldéhyde-3-P et la dihydroxyacétone phosphate. Elle a donc une fonction de catalyse enzymatique.
Sa structure secondaire présente en alternance 8 hélices α amphiphiles et 8 brins β reliés entre eux. Cet ensemble s'organise en un tonneau plaçant les hélices en extérieur et les brins en interne, tapissant la cavité centrale qui accueille le substrat. C'est une structure fréquente chez les enzymes de la glycolyse.

2.1.3. La protéine de transport du rétinol (RBP)

Cette protéine est plasmatique, comporte 182 acides aminés. Sa structure secondaire est constituée de 8 brins β anti-paralléles. On retrouve la configuration en tonneau à intérieur hydrophobe recevant le ligand transporté, le rétinol (ou vitamine A liposoluble). Elle le transporte du foie jusqu'aux tissus utilisateurs, c'est un transporteur plasmatique.

2.1.4. La calmoduline (Calcium modulated protein)

La calmoduline capte le calcium des cytoplasmes permettant la mesure du Ca2+ intracellulaire et la diffusion de l'information aux protéines actives sensibles au calcium. Sa structure secondaire organise les 148 acides aminés en hélices α uniquement. Elle comporte deux domaines globulaires de 3 hélices α chacun. Il sont reliés par un connecteur qui pourra être fait d'une ou de deux hélices α selon que du Ca2+ soit fixé ou non. Chaque tête globulaire est capable de fixer 2 atomes de Ca2+ , soit 4 atomes de Ca2+ par calmoduline.
Quand il n'y a pas de calcium, le connecteur est sous forme compacte donc présente le motif hélice-boucle-hélice. En présence de calcium, la molécule s'étire pour le fixer (connecteur : 1 hélice α), laissant apparaitre deux zones non polaires riches en méthionine, zones liant les protéines cibles par interactions hydrophobes. Quand la liaison calmoduline-protéine cible est en place, le connecteur retrouve une forme compacte : hélice-coude-hélice (coude de 4 acides aminés, selon un angle de 100°), enfermant la protéine cible.

2.2. Protéines membranaires

50% de la masse d'une membrane plasmatique est constituée par les protéines (cf cours sur les membranes histo Mr Macé). Deux types de protéines membranaires existent :

Les protéines membranaires traversant plusieurs fois la membrane ont une chaîne polypeptidique faite d'une série d'hélice α hydrophobes.

3. Modifications co-traductionnelles et post-traductionnelles des protéines

Certaines protéines nécessitent, suite à leur synthèse, des modifications pour acquérir leur activité biologique (ou être inactivées) dans leur conformation spatiale ou leur composition. Ces modifications seront co- ou post-traductionnelles, enzymatique ou non, réversibles ou non.

3.1. Modifications non enzymatiques

3.1.1. Glycation

NON enzymatique, elle concerne toutes les protéines et augmente avec la glycémie (plus forte disponibilité en oses). Les fonctions amines des protéines longtemps exposées au glucose extracellulaire vont être glyquées. La première étape du processus est la formation réversible d'une base de Schiff. Le réarrangement d'Amadori la rend stable. Le dosage de l'hémoglobine glyquée (durée de vie des globules rouges : 4 mois) permet ainsi la mesure d'une glycémie sur trois mois permettant le suivi thérapeutique des diabétiques.
Les composés obtenus sont toxiques.

Ce processus n'est pas à confondre avec la glycosylation, processus enzymatique d'ajout de glucide à une protéine dans des conditions physiologiques cellulaires normales.

3.1.2. Oxydation

C'est un phénomène à ne pas négliger car responsable de l'accumulation de protéines endommagées et parfois non fonctionnelles. Cette oxydation de certains radicaux est irréversible sauf pour la méthionine. Elle sera oxydée en méthionine sulfoxyde mais pourra enzymatiquement être régénérée.

3.2. Modifications enzymatiques

3.2.1. Glycosylation des protéines

C'est l'une des plus importantes modifications post-traductionnelle. Sont particulièrement concernées les protéines sécrétées et les protéines membranaires. Elle semblerait protéger des protéases et joue un rôle dans la fonction biologique de la protéine.
La N-glycosylation est co-traductionnelle et se déroule dans le réticulum endoplasmique. Elle se fait avec la fonction amide de l'asparagine, asparagine localisée dans un séquence particulière. Une "copule glucidique" est formé par les glucides ajoutés, il s'agit d'un oligosaccharide aux tailles et formes variables. Ces copules ont toujours un motif commun, le pentasaccharide :
N-acétylglucosamine -- N-acétylglucosamine -- mannose -- 2 mannoses
La O-glycosylation est post-traductionnelle et s'effectue dans le trans-golgi-network. L'accepteur glucidique sera le radical d'une sérine ou thréonine, voire d'une 5-hydroxylysine pour les collagènes. Le premier ose fixé est toujours une N-acétyl galactosamine. On peut ajouter jusqu'à 15 oses différents. Elle s'effectue sur un grand nombre d'accepteurs situés dans une même région.
Parfois cette glycosylation peut aboutir à des protéines dont 50% du poids moléculaire correspond à des oses. C'est par exemple le cas des mucines au rôle protecteur des muqueuses aériennes et digestives. Une telle impotance en glycane les rend très hydrophiles et résistantes aux enzymes protéolytiques.

La glycosylation, en outre, participe activement à la reconnaissance entre cellules, à la structure des récepteurs des membranes plasmiques, à l'adressage des protéines vers leur destination cellulaire définitive.

3.2.2. Acylation des protéines

C'est la fixation d'un lipide. 4 types existent :

Cette fixation se fait avec des enzymes spécifiques de l'acide aminé accepteur et du lipide. Les acides aminés accepteurs ne sont pas toujours les mêmes mais varient en fonction de la copule lipidique à ajouter. Elle est soit co-traductionnelle et se déroulera dans le réticulum endoplasmique, soit post-traductionnelle et se déroulera dans le golgi cis. cette acylation permettra l'ancrage à la face interne ou externe des membranes plasmiques ou aux membranes des organites intracellulaires, selon la copule.

3.3. Modifications post-traductionnelles régulant l'activité biologique

3.3.1. Par clivage protéolytique limité

Irréversibles, ces réactions peuvent activer ou inactiver des protéines. Ce clivage provoque des changements de conformation créant l'apparition ou disparition des propriétés biologiques.
Ce clivage s'effectue sur une liaison sensible séparant le peptide inhibiteur/activateur du reste de la protéine, permettant ainsi un remaniement de la structure tertaire (modifications des liaisons H et de van der walls). Ce type de régulation est présent dans de nombreux mécanismes cellulaires et extracellulaires. citons par exemple le "zymogène" forme inactive d'enzymes digestives protéolytiques :

3.3.2. Par phosphorylation/déphosphorylation

Réversible, la fixation par liaison covalente d'un groupement phosphate (sur un groupement OH du radical de Ser, Thr ou Tyr) peut activer ou inhiber l'activié biologique d'une protéine.

C'est une protéine kinase qui phosphoryle. La déphosphorylation est réalisée par une phosphatase. Cette modification chimique est secondaire. C'est son influence par modification des charges électriques des atomes et remaniement des liaisons H, forces de Van der Walls et liaisons ioniques qui importe.
Ce changement de conformation va influencer l'affinité de la protéine pour son ligand.
On retrouve ce mode de régulation dans beaucoup de réactions du métabolisme cellulaire.


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