Structure des protéines - Définition

Structure tertiaire

La structure tertiaire d'une protéine correspond au repliement de la chaîne polypeptidique dans l'espace. On parle plus couramment de structure tridimensionnelle, ou structure 3D. La structure 3D d'une protéine est intimement liée à sa fonction: lorsque cette structure est cassée par l'emploi d'agent dénaturant, la protéine perd sa fonction: elle est dénaturée.

Dépendance de sa séquence

La structure tertiaire d'une protéine dépend de sa structure primaire. Ainsi, deux protéines homologues ayant une forte similiarité de séquence (> 80 % des acides aminés identiques) auront également des structures très proches. La prédiction de la structure tertiaire à partir de la structure primaire est à l'heure actuelle un champ très actif de la recherche en bio-informatique. Et de nombreuses méthodes utilisent justement l'homologie entre protéines pour réaliser leurs prédictions. Il est également connu de longue date que certains acides aminés favorisent la formation d'une structure secondaire plutôt qu'une autre. Par exemple, la proline et la glycine ont une très faible propension a former des hélices α. En fait, de nombreuses méthodes bioinformatiques de prédiction de la structure tertiaire utilisent uniquement la séquence des protéines pour réaliser leurs prédictions.

Dépendance de son environnement

La structure tertiaire d'une protéine dépend aussi de son environnement. Les conditions locales qui existent à l'intérieur de chaque compartiment cellulaire, le solvant, la force ionique, la viscosité, la concentration, contribuent à moduler la conformation. Ainsi une protéine soluble dans l'eau aura besoin d'un environnement aqueux pour adopter sa structure tridimensionnelle. De même, une protéine membranaire aura besoin de l'environnement hydrophobe de la membrane pour adopter une conformation.

Effet hydrophobe

La séquence d'une protéine comporte une certaine proportion d'acides aminés polaires (hydrophiles) et non polaires (hydrophobes). Leurs interactions avec les molécules d'eau conditionnent la manière dont la chaîne polypeptidique se replie. Les acides aminés non polaires auront tendance à éviter l'eau. Inversement les résidus polaires vont chercher à rester a proximité du solvant aqueux. Ainsi, dans le cas des protéines solubles, il se forme un cœur hydrophobe au centre de la structure tertiaire, tandis que les groupes polaires restent plutôt en surface.

Dans le cas des protéines transmembranaires le problème est inverse. L'environnement membranaire est globalement hydrophobe. Ainsi, les acides aminés hydrophiles vont se retrouver au cœur de la protéine tandis que les acides aminés hydrophobes vont se retrouver en surface. Des résidus hydrophiles peuvent se retrouver à la surface des protéines membranaires, en contact avec le milieu hydrophobe. Dans ce cas, il y a de forte chance que ces résidus soient impliqués dans des interactions avec d'autres résidus hydrophiles de la même ou d'une autre protéine.

Protéines intrinsèquement non-structurées

A l'heure actuelle, de plus en plus de chercheurs s'intéressent au cas des protéines intrinsèquement non structurées. Il s'agit de protéines généralement solubles n'ayant pas de structure 3D particulière sauf lorsqu'elle entrent en interaction avec d'autres facteurs : une autre protéine par exemple. En fait, ce type de protéines est souvent associée à plusieurs fonction biologiques, leur "souplesse" leur permettant de s'adapter à différentes interactions. Les protéines intinsèquement non structurées représenteraient environ 10% des génomes. Plus généralement, environ 40% des protéines eucaryotes possèderaient une région intrinsèquement non structurée. Une base de donnée appelée Disprot fournit des informations supplémentaires sur ces protéines qui manquent de structure 3D fixe.Celle-ci répertorie toutes les structures intrinsèquement désordonnées connues jusqu'à présent et est régulièrement mise à jour.

Organisation

Les protéines s'organisent souvent en domaines structuraux distincts. Cela correspond aux parties de la protéine acquérant une conformation indépendamment du reste de la structure. Parfois ces domaines structuraux sont associés à une fonction individuelle donnée de la protéine : fixation d'un ligand, reconnaissance d'un autre partenaire, ancrage membranaire... Ainsi, une protéine constituée de plusieurs domaines structuraux peut associer plusieurs fonctions distinctes.

Il existe également dans les protéines des motifs structuraux. Ces motifs comptent quelques acides aminés et sont en général associés à des interactions bien précises. Par exemple, le motif « doigt de zinc » fixe l'ion Zn²⁺, qui est impliqué dans des interaction spécifiques avec l'ADN. Un motif peut être impliqué dans un domaine structural.

La représentation de la structure tertiaire se fait à l'aide d'un logiciel de visualisation comme Rasmol.

Lors de cette représentation, il est courant de faire apparaître certaines caractéristiques particulières des structures, comme les structures secondaires. Par exemple une hélice α sera représentée par un cylindre et les brins β qui composent les feuillets β par des rubans en forme de flèches, etc. La structure tertiaire est maintenue par différentes interactions:

• interactions covalentes (ponts disulfures entre cystéines)
• interactions électrostatiques (liaisons ioniques, liaisons hydrogènes)
• interactions de van der Waals
• interactions avec le solvant et l'environnement (ions, lipides...)

Détermination de la structure tertiaire

Différentes méthodes expérimentales permettent de découvrir la structure tertiaire des protéines :

• La cristallographie par rayon X
• La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire
• La cryomicroscopie

Ces méthodes sont coûteuses et la détermination de la structure d'une protéine reste un processus lent. Afin de pallier ce défaut, des méthodes automatiques de prédiction de la structure tertiaire des protéines ont été développées. Il se dégage deux types de méthodes :

• Les méthodes basées sur les structures des protéines connues :
  • Les méthodes par homologie
  • Les méthodes par reconnaissance des repliements (Protein Threading)

• Les méthodes basées sur d'autres données (les propriétés physico-chimiques des atomes par exemple) :
  • Les méthodes ab initio
  • Les méthodes de novo