Introduction

Le terme protéine vient du grec protein qui signifie essentiel, de première importance. Ce sont des constituants essentiels de la cellule. Les protéines ont deux grands types de rôle :

  • Structural : architecture des cellules, des tissus et des organes. Ex = cytosquelette, collagène ;
  • Fonctionnel : propriétés biologiques des cellules (que fait la cellule dans l’organisme ?). Ex = anticorps, enzymes, hormones, hémoglobine, marqueurs membranaires, neurotransmetteurs...

Les protéines sont des polymères d’acides aminés (20 acides aminés protéinogènes). En fonction de la taille du polymère, on distingue :

  • Oligopeptide : $\le 3$ acides aminés assemblés ;
  • Polypeptide : au moins quatre acides aminés ;
  • Protéine : plus de $\mathrm{10~kDa}$ (environ $90$ acides aminés, pour une masse molaire moyenne de $\mathrm{110~Da}$).

La masse moyenne des protéines est de l’ordre de $\mathrm{50~kDa}$, et la masse maximale connue est de l’ordre de $\mathrm{3~MDa}$ (titine dans le muscle strié).

Niveaux d’organisation des protéines

Les protéines sont des polymères d’acides aminés, reliés les uns aux autres par une liaison amide (amine + acide $\longrightarrow$ amide + eau) appelée liaison peptidique (voir figure).

L’enchaînement linéaire des acides aminés, qui correspond à la séquence de la protéine, est la structure primaire. Cette séquence est lue dans le sens $\mathrm{NH_2 \longrightarrow COOH}$.

La structure secondaire des protéines est liée au comportement particulier de la liaison peptidique : elle peut se comporter comme une double-liaison, ce qui implique que les carbones α de l’acide aminé précédent, et de l’acide aminé suivant peuvent se trouver en conformation cis ou trans (voir figure).
Chez les protéines, c’est essentiellement une conformation trans. Trois configurations sont possibles :

  • Alternance de conformations trans, inversées à chaque liaison : les plans des acides aminés forment une structure en toit d’usine, appelée feuillet $\beta$ ;
  • Conformations trans identiques à chaque liaison : les plans des acides aminés forment une structure en hélice, appelée hélice α, avec $3,7$ acides aminés par tour en moyenne ;
  • Pas de règle : formation d’une structure en pelote statistique.

On retrouve souvent les mêmes acides aminés dans les feuillets $\beta \mathrm{(Y, W, F, T, V ~et ~I)}$ et dans les hélices $\alpha \mathrm{(M, A, L, E ~et ~K)}$.

Une protéine peut présenter un seul type de structure secondaire, ou un mélange. Souvent ces structures sont séparées par des zones linéaires dans la séquence. Des coudes permettent également d’articuler les structures entre elles. Ces structures secondaires sont stabilisées par des liaisons hydrogène.

La structure tertiaire correspond à l’acquisition d’un aspect tridimensionnel. Généralement, la séquence de la protéine interagit avec elle-même pour donner une forme globale. Des interactions plus fortes comme les ponts disulfures peuvent aider à cette mise en place. Participent également les liaisons faibles comme les liaisons hydrogène, ionique ou hydrophobe. Cette modification permet à des acides aminés éloignés dans la séquence de se retrouver proches dans la structure (voir figure). Éventuellement, ils peuvent former un site opérationnel de la protéine = site actif. Certains acides aminés du site actif auront alors une activité catalytique par leur chaîne latérale. La structure $\mathrm{3D}$ des protéines distingue deux grandes catégories de protéines :

  • Globulaire : une grande partie des protéines a une forme sphérique, avec un noyau généralement hydrophobe et une périphérie hydrophile. Ex : hémoglobine, enzymes ;
  • Fibreuse : les protéines structurales ont généralement une forme allongée, en câble. Ces protéines sont riches en feuillets $\beta$. Ex : fibroïne de soie et collagène.

Il existe un dernier niveau d’organisation, la structure quaternaire. Elle correspond à un assemblage (= oligomère) de plusieurs protéines, identiques ou différentes. Les protéines sont alors appelées sous-unités ou protomères. Ces polymères présentent des propriétés différentes des protomères isolés. Il existe également des cas où le protomère n’a pas d’activité s’il n’est pas associé à d’autres.