La forme 3D des protéines
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1. La structure tridimensionnelle des prot ines Si l ADN Acide D soxyribo Nucl ique correspond la recette au mode d emploi partir desquels les tres vivants sont fa onn s alors on pourrait situer les prot ines comme tant les ingr dients et les ustensiles utilis s donc sans prot ine pas d tre vivant et inversement toute cellule tout organisme sugg rent la pr sence et l utilisation des prot ines Un des aspects les plus marquants des prot ines est sans doute leur forme tridimensionnelle Il s agit d tudier les principales causes de cette structure 3D et de d terminer son r le exact pour les prot ines et l organisme Ainsi on peut prouver que la forme de la prot ine d pend de sa composition en d finissant ce qu est une prot ine et quoi correspond ses diff rentes structures primaire secondaire tertiaire voire quaternaire On d montrera galement que cette forme spatiale est indispensable au fonctionnement des prot ines et qu elle est responsable de leur sp cificit Pour cela on s appuiera sur l exemple des anticorps 1 LA FORME DE LA PROTEINE DEPEND DE SA COMPOSITION 1 1 Qu est ce qu une prot ine D couvertes en 1838 les prot ines sont le principal composant des cellules puisqu elles repr sentent 50 de leur masse s che Une prot ine est une macromol cule compos e d acides amin s reli s entre eux par des liaisons peptidiques c est un polym re lin aire Cependant il existe des2. cha nes polypeptidiques individuelles sont nomm es protom res La structure tridimensionnelle des prot ines d pend donc de leur structure primaire Il faut maintenant tudier son comportement g n ral et son utilit pour le fonctionnement des prot ines II UNE FORME TRIDIMENSIONNELLE INDISPENSABLE AU FONCTIONNEMENT DE LA PROTEINE 2 1 La forme tridimensionnelle des prot ines permet leur fonctionnement Les prot ines agissent diff remment selon leurs fonctions mais la plupart ont un moyen d action commun elles se lient de fa on sp cifique d autres mol cules ainsi l h moglobine fixe l oxyg ne les anticorps se lient des antig nes Leur fonctionnement est fond sur leur capacit de fixation s lective Ce r le est accompli par une partie minoritaire de la prot ine on parle de site de fixation ou de site actif qui correspond une forme localis e de la structure 3D o vient se fixer une portion d une autre mol cule qui lui est spatialement compl mentaire les forces d attraction nerg tiques entrent galement enjeu Cf annexe n 9 En cons quence l activit des prot ines est possible gr ce leur forme tridimensionnelle 2 2 La d naturation La d naturation d une prot ine est la modification de sa forme habituelle dans l espace apr s maturation et donc la perte de son activit il s agit de la rupture de sa structure native Cf annexe n 10 Quelques liaisons ou l ensemble des liaisons sont romp
3. pr cise sur des mol cules sp cifiques Les r sultats prouvent galement qu aucune fixation n est possible lorsque les anticorps sont d natur s lorsqu ils ont perdu leur forme 3D habituelle Cf annexe n 14 Une structure 3D sp cifique est indispensable la prot ine pour qu elle soit active Finalement si les prot ines peuvent se pr senter comme de v ritables poup es russes par rapport aux trois voire quatre structures bien d finies celle ci joue pourtant un r le fondamentale pour l activit de la prot ine Cette activit est sp cifique chaque prot ine car la forme tridimensionnelle est le r sultat de liaisons diverses qui d pendent de la structure primaire de la prot ine c est dire de la succession des acides amin s qui composent la cha ne BIBLIOGRAPHIE Biologie mol culaire de la cellule ALBERTS et coll Editions FLAMMARION Pr cis de biochimie HARPER et coll Editions ESKA Les prot ines N Sp cial La cellule Pour la Science Documents d immunologie APBG Encyclop die ENCARTA Microsoft
4. prot ines complexes qui en plus des acides amine s renferment des compos s additionnels Le poids mol culaire de toutes les prot ines simples ou complexes varie de quelques milliers plus d un million d unit s Elles sont pr sentent dans tous les organismes vivants et leurs sont essentielles 0 n c o m pte environ 30 000 prot ines diff rentes chez l homme et on estime seulement 2 celles qui ont t traduites La diversit des prot ines est telle que diff rents syst mes de classification ont t mis en place Ceux ci sont bas s sur la solubilit la forme la fonction les propri t s physiques ou encore la structure tridimensionnelle des prot ines Cf annexe n 1 Quelques exemples de prot ines parmi les plus r pandues enzymes saccharase lactase amylase etc anticorps anti A anti B anticorps IgG etc h moprot ines glycoprot ines lipoprot ines etc 1 2 Les diff rentes structures 1 2 1 La structure primaire La structure primaire d une prot ine correspond sa cha ne polypeptidique Les acides amin s sont des mol cules compos es d un atome de carbone central auquel sont fix s un atome d hydrog ne un groupe amine NH2 une extr mit un groupe carboxyle COOH l autre et enfin un groupe d atomes composant la cha ne lat rale de l acide amin qui le caract rise Dans la structure primaire seules les liaisons peptidiques interviennent pour relier les acides amin s afin de former une c
5. ar ses liaisons fragiles Cf annexe n 3 En ce qui concerne le feuillet B les m mes liaisons hydrog nes s tablissent galement entre les groupements NH et CO mais au lieu d tre enroul e la cha ne de la prot ine est presque enti rement tal e Les segments rectilignes de la cha ne polypeptidique sont alors juxtapos s en zigzag Les cha nes polypeptidiques adjacentes peuvent tre dans la m me direction c est un feuillet amp pliss parall le ou bien elles peuvent galement tre positionn es dans des directions contraires c est un feuillet B pliss antiparall le Cf annexe n 4 Feuillet et h lice amp sont des structures pouvant tre pr sentes sur une m me prot ine La nature des acides amin s influence la forme de la structure secondaire d une prot ine Cf annexe n 5 1 2 3 La structure tertiaire La structure tertiaire correspond la forme globale de la prot ine c est dire l arrangement de l ensemble aux relations entre les diff rentes r gions appel es domaines et le r sidus d acides amin s individuels d une seule cha ne polypeptidique Les domaines sont des blocs bien d finis form s par des structures secondaires qui s organisent spatialement Les principales liaisons responsables de la structure tertiaire sont des liaisons covalentes les liaisons disulfures La cyst ine est un acide amin poss dant un groupe sulfhydrile SH l extr mit de sa cha ne lat rale Deux groupes sulfh
6. ha ne Il s agit de liaisons qui r sultent de l limination d une mol cule d eau et de l association du groupe amine de l un des acides amin s avec le groupe carboxyle d un autre afin d obtenir la configuration suivante Cf annexe n 2 Une liaison peptidique est une double liaison partielle et s oppose de ce fait toute rotation Par cons quent la structure chimique CO NH est coplanaire Le reste des liaisons appartenant l ossature polypeptidique poss de une grande libert de rotation 1 2 2 La structure secondaire La structure secondaire d crit la configuration locale de la prot ine Il existe diff rentes sous unit s structurelles soit diff rents types de structure secondaire l h lice a et le feuillet B Ce sont les liaisons hydrog nes qui interviennent pour cette structure Gr ce la d couverte de l lectron gativit par Linus Pauling il est ais d expliquer l attraction lectrique entre un atome d oxyg ne et un atome d hydrog ne qui forme une liaison hydrog ne consid r e comme faible car moins intense qu une liaison covalente Ainsi pour l h lice les groupements R les cha nes lat rales des acides amin s sont rejet s l ext rieur par rapport au centre de l h lice et les liaisons hydrog nes agissent comme un pont entre les groupements NH et les groupements carbonyles CO de la cha ne principale Par cons quent la cha ne principale des prot ines s enroule en une h lice compacte stabilis e p
7. mensionnelle de d part donc l activit de la prot ine n est plus assur e 2 3 D monstration de la fonction et de la sp cificit des prot ines par rapport leur forme tridimensionnelle On cherche d montrer la sp cificit et l importance de la forme 3D des prot ines sur un cas concret Pour cela on tudie les anticorps en rapport avec les groupes sanguins Un anticorps est une prot ine pr sente essentiellement dans le sang et agissant pour d fendre l organisme contre l invasion de substances et de micro organismes trangers Un anticorps agit en se liant un mol cule appel s antig ne ayant une configuration compl mentaire la sienne L anticorps neutralise ainsi la mol cule La fixation d un anticorps son antig ne peut provoquer une agglutination Cf annexe n 11 L anticorps est compos d une grande branche laquelle sont rattach es 2 branches plus courtes o se situe un site actif l extr mit de chacune Cf annexe n 12 Les h maties ou globules rouges du sang portent leur surfaces des marqueurs sp cifiques au groupe sanguin et le sang contient certains anticorps qui emp chent d autres h maties provenant d un autre groupe de se m langer Cf annexe n 13 Les r sultats des exp riences confirment que les anticorps n agissent que sur un antig ne sp cifique de part la configuration du site actif donc la forme tridimensionnelle propre chacune des prot ines leur permet d avoir une fonction
8. ues la prot ine n a alors plus aucune stabilit et la structure tertiaire qui permettait son activit est chang e voire r duite une structure inf rieure Plusieurs facteurs peuvent tre l origine de la d naturation d une prot ine comme les acides min raux forts les bases fortes la chaleur les d tersifs ioniques les agents chaotropiques les m taux lourds les solvants organiques Le changement de la structure peut tre visible l oeil nu lorsque l on cuit un uf par exemple on observe que la mati re translucide et visqueuse devient opaque blanche et consistante une d naturation conduit souvent une agglutination De plus la cuisson de l uf n cessite plusieurs minutes avec la chaleur la d naturation n est donc pas imm diate La perte de la structure CD des prot ines est definitive il est impossible de transformer un uf cuit en uf cru la d naturation est donc irr versible L intensit des liaisons occupe un r le d terminant pour la d naturation Ainsi les liaisons disulfures relativement stables r sistent aux conditions habituelles de d naturations et il faut utiliser des oxydants acide performique ou des r ducteurs 0 mercapto thanol des liaisons disulfures afin de s parer les cha nes polypeptidiques reli es par ces liaisons sans affecter la structure primaire D autres liaisons comme les liaisons fragiles sont facilement d truites La d naturation est une perte de la structure tridi
9. ydriles se lient pour former une liaison disulfure S S tr s intense donc une prot ine contenant deux mol cules de cyst ine se replie car les deux mol cules se lient La structure tertiaire d pend alors de la nature et de la place des acides amin s pr sents dans la prot ine donc de sa structure primaire Il peut tre tr s difficile de diff rencier la structure secondaire de la tertiaire Cf annexe n 6 Les prot ines sont synth tis es dans le cytoplasme de la cellule au niveau du r ticulum endoplasmique granuleux la structure primaire est mise en place mais eues subissent une maturation dans l appareil de Golgi o elles acqui rent leur forme tridimensionnelle Cf annexe n 7 La structure 3D d une prot ine peut tre d termin e par une m thode appel e cristallographie Il s agit de l tude de diffraction des rayons X Cela consiste diriger des rayons X sur un cristal de prot ine les rayons tant ensuite dispers s selon les densit s lectroniques des diff rentes parties de la mol cule Les r sultats sont alors traduits par des sp cialistes en cristallographie ce qui permet de construire un mod le exact de la prot ine tudi e Il faut galement noter l existence d une structure quaternaire Cf annexe n 8 Il s agit de plusieurs cha nes polypeptidiques unies par des forces autres que des liaisons covalentes Ce sont des liaisons hydrog nes lectrostatiques ou salines Les sous unit s composant cette structure
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