Semaine 3 : la structure des protéines en 3D

Au cours de la troisième semaine nous avons étudié la structure d'une protéine pour répondre à la problématique "comment les interactions chimiques permettent-elles de comprendre la forme des protéines (insuline et récepteur PTC) Nous avons abordé la notion de structure d'un point de vue chimique mais aussi biologique puisque nous avons étudié comment le milieu pouvait impacter la structure de la protéine.

Premièrement, notre protéine en milieu aqueux, qui est un milieu polaire ( voire explication çi-dessous)

Deuxièmement cette protéine en milieu lipidique (milieu apolaire) :

On constate qu'en milieu aqueux, les acides aminés polaires n'occupent pas la même position qu'en milieu lipidique, on observe le même phénomène pour les acides aminés polaire, qui n'occupent pas la même position en milieu lipidique qu'en milieux aqueux.

Avant l'explication qui suit, voici quelques définitions :

Polarité :la polarité est une caractéristique décrivant la répartition des charges négatives et positives dans les pôles d'une molécule . La polarité d'une liaison ou d'une molécule est due à la différence d'électronégativité entre les éléments chimiques qui la composent, des différences de charge qu'elle induit, et à leur répartition dans l'espace.

Electronégativité :l'électronégativité d'un atome est une grandeur qui caractérise sa capacité à attirer les électrons lors de la formation d'une liaison chimique avec un autre élément.

En effet, le milieu aqueux est polaire. Cela est dû aux molécules d'eau qui le constituent :

Une molécule d'eau est constituée de trois atomes, deux d'hydrogène et un d'oxygène (H₂0).

Or, l'électronégativité de l'oxygène est supérieure à celle de l'hydrogène, provoquant une charge électrique positive sur un pôle (oxygène) et une charge négative sur l'autre pôle (2 atomes d'hydrogène).

Les chaînes latérales des acides aminés polaires (ayant également un pôle chargé ) sont donc attirées par un des deux pôles polaires de la molécule d'eau, ils se retrouvent donc vers l'extérieur de la protéine. Par opposition, les acides aminés apolaires sont repoussés par les molécules d'eau et sont donc vers l'intérieur de la protéine et s'attirent entre eux en raison de leur apolarité.

De même pour les acides aminés apolaires dans le milieu lipidique (apolaire). Les acides aminés polaires s'attirent entre eux tandis, et sont donc situé au milieu de la protéine, tandis que les acides aminés apolaires sont attirés par le second milieu et sont donc tournés vers l'extérieur.

Donc, le milieu, selon sa polarité, impacte la structure de la protéine en intervenant dans la position/ orientation de certains acides aminés.

On constate également des liaisons entre les cystéines (voire explication ci-dessous), et entre acides aminés acides et basiques.

Nous avons également étudié comment différentes liaisons interviennent dans la structure de la protéine. On en distingue trois types :

1) Les liaisons covalentes

Les liaisons covalentes interviennent dans la structure primaire de la protéine, elles permettent le lien entre les acides aminés pour former la chaîne polypeptidique, mais aussi dans sa structure tertiaire et quaternaire : en effet, les ponts disulfures permettent de lier deux parties d'une chaîne polypeptidique entre elles ou de lier deux chaînes polypeptidiques. Ces ponts disulfures sont une liaison covalente entre deux atomes de soufre.

Il existe deux acides aminés contenant des atomes de soufre : la méthionine et la cystéine. Cependant, la cystéine est la seule a pouvoir effectuer une liaison covalente, créant un pont disulfure car son atome de soufre est situé au bout de sa chaîne latérale, ce qui facilite la liaison.

Les ponts disulfures au sein des protéines sont donc le résultat d'une liaison covalence entre deux atome de souffre de deux cysteines. On peut en observer un example sur les deux photographies de la modélisation d'une protéine et des interactions ou liaisons entre ses différents acides aminés ci-dessus.

2) Les "liaisons" ioniques

Il s'agit en réalité d'une interaction électrique entre deux atomes. Un atome ayant perdu un électron, qui devient un cation ( ion chargé positivement) va attirer un atome ayant gagné un électron; un anion (chargé négativement), et réciproquement. Il n'y a donc pas de contact physique d'oú le terme d'interaction. Ces interactions interviennent dans la structure tertiaire et quaternaire puisqu'elles permettent le rapprochement de deux chaînes polypeptidiques ou deux deux parties d'une même chaîne.

3) Les liaisons "Van Der Waals"

De même que pour les "liaisons" ioniques, on parle plutôt d'interaction. Les acides aminés polaires (voire explication pour le cas de la molécule d'eau ci-dessus) s'attirent entre eux, créant ainsi un rapprochement de parties de la chaîne polypeptidique ou de deux chaînes. Elles interviennent donc dans la structure tertiaire et quaternaire de la protéine.

4) Les liaisons hydrogènes

Un atome d'hydrogène lié de façon covalente à un atome peut-être attiré par un troisième atome. L'interaction a lieu lorsque les deux atomes portent une charge négative ( on obtient le schéma suivant:)

Il ne s'agit pas d'un liaison à proprement parler, c'est pourquoi on la désigne aussi par pont Hydrogène.

Cette liaison est due à l'alignement des atomes ( comme O, H et N par exemple) et est permise grâce a la flexibilité de la molécule.

Les liaisons hydrogènes confèrent aux chaînes polypeptidiques des protéine leur forme en hélice alpha.

Un exemple : L'insuline

Sur cette photo nous pouvons voir la présence des liaisons hydrogènes qui interviennent dans la structure secondaire de la protéine; ces dernières sont responsables de la forme en hélice alpha des chaînes. On peut également observer la présence des molécules "MALEK", qui favorisent la forme d'hélice alpha. Enfin nous pouvons voir les ponts disulfures qui lient les deux hélices alpha entre elles et qui lient également deux parties de la chaîne rose, intervenant ainsi dans la structure tertiaire et quaternaire de la protéine.

Autre exemple : le récepteur TAS2R38

Sur ces photos, l'on peut voir le récepteur TAS2R38 au PTC, représentée sous deux formats différents. On peut observer que les acides aminés en contact avec le PTC (représentés par les boules rouges sur les photos ci-dessus) est dans le milieu extracellulaire.

Dans la seconde photo on peut observer les liaisons hydrogènes, représentées par des pointillés, qui, comme dit précédemment, interviennent dans la structure secondaire de la protéine; responsables de la forme en hélice alpha des chaînes.

La sensibilité au PTC serait donc notamment dûe à la structure de la protéine TAS2R38, qui modifierait son emplacement dans les cellules constituant le bourgeon du goût. Une personne sensible au PTC aura ce récepteur dans le domaine extracellulaire de sa cellule, permettant la réception de l'amertume (schéma 1) tandis qu'un individu n'étant pas sensible au PTC aurait ce récepteur situé dans une zone de la cellule impossible d'accès par le PTC, empêchant l'analyse de ce goût.

Conclusion :

Les interactions chimiques entre acides aminés permettent donc de lier différentes chaînes polypeptidique d'une protéine, ou différente partie d'une même chaine, intervenant ainsi dans la structure tertaire et quaternaire de la protéine. Elles permettent également de lier des atomes entre eux (ponts disulfures, liaisons hydrogènes) et ainsi d'intervenir dans la structure primaire et secondaire de la protéine. En expliquant comment les interactions interviennent dans les différentes structures de la protéine (primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire), on peut expliquer sa forme. On peut notamment expliquer la forme hélice alpha des chaînes polypeptidiques de la protéine TAS2R38 et l'insuline par les liaisons hydrogènes.