Groupes de protéines différant par leur structure tridimensionnelle. Structure des protéines : une introduction pour les informaticiens

Il y a quatre niveaux organisation structurelle protéines : primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires. Chaque niveau a ses propres caractéristiques.

La structure principale des protéines est une chaîne polypeptidique linéaire d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. La structure primaire est le niveau le plus simple d’organisation structurelle d’une molécule protéique. Une grande stabilité lui est conférée par les liaisons peptidiques covalentes entre le groupe α-amino d'un acide aminé et le groupe α-carboxyle d'un autre acide aminé. [montrer] .

Si le groupe imino de la proline ou de l'hydroxyproline est impliqué dans la formation d'une liaison peptidique, alors il a une forme différente [montrer] .

Lorsque des liaisons peptidiques se forment dans les cellules, le groupe carboxyle d’un acide aminé est d’abord activé, puis il se combine avec le groupe amino d’un autre. La synthèse en laboratoire des polypeptides s'effectue à peu près de la même manière.

Une liaison peptidique est un fragment répétitif d’une chaîne polypeptidique. Il présente un certain nombre de caractéristiques qui affectent non seulement la forme de la structure primaire, mais également les niveaux supérieurs d'organisation de la chaîne polypeptidique :

• coplanarité - tous les atomes inclus dans le groupe peptidique sont dans le même plan ;
• la capacité d'exister sous deux formes de résonance (forme céto ou énol) ;
• position trans des substituants par rapport à la liaison C-N ;
• la capacité de former des liaisons hydrogène, et chacun des groupes peptidiques peut former deux liaisons hydrogène avec d'autres groupes, y compris des groupes peptidiques.

L'exception concerne les groupes peptidiques impliquant le groupe amino de la proline ou de l'hydroxyproline. Ils ne sont capables de former qu’une seule liaison hydrogène (voir ci-dessus). Cela affecte la formation de la structure secondaire de la protéine. La chaîne polypeptidique dans la zone où se trouve la proline ou l'hydroxyproline se plie facilement, car elle n'est pas maintenue, comme d'habitude, par une deuxième liaison hydrogène.

Nomenclature des peptides et polypeptides . Le nom des peptides est composé des noms de leurs acides aminés constitutifs. Deux acides aminés forment un dipeptide, trois forment un tripeptide, quatre forment un tétrapeptide, etc. Chaque peptide ou chaîne polypeptidique de n'importe quelle longueur possède un acide aminé N-terminal contenant un groupe amino libre et un acide aminé C-terminal contenant un carboxyle libre. groupe. Lors de la dénomination des polypeptides, tous les acides aminés sont répertoriés séquentiellement, en commençant par celui N-terminal, en remplaçant dans leurs noms, à l'exception de celui C-terminal, le suffixe -in par -yl (puisque les acides aminés des peptides n'ont plus de groupe carboxyle, mais un groupe carbonyle). Par exemple, le nom montré sur la Fig. 1 tripeptide - leuc limon phénylalane limon thréo dans.

Caractéristiques de la structure primaire de la protéine . Dans le squelette de la chaîne polypeptidique, des structures rigides (groupes peptidiques plats) alternent avec des régions relativement mobiles (-CHR), capables de tourner autour des liaisons. De telles caractéristiques structurelles de la chaîne polypeptidique affectent sa disposition spatiale.

La structure secondaire est un moyen de replier une chaîne polypeptidique en une structure ordonnée en raison de la formation de liaisons hydrogène entre les groupes peptidiques de la même chaîne ou les chaînes polypeptidiques adjacentes. Selon leur configuration, les structures secondaires sont divisées en hélices (hélice α) et en couches pliées (structure β et forme β croisée).

α-Hélix. Il s’agit d’un type de structure protéique secondaire qui ressemble à une hélice régulière, formée en raison de liaisons hydrogène interpeptidiques au sein d’une chaîne polypeptidique. Le modèle de structure de l'hélice α (Fig. 2), qui prend en compte toutes les propriétés de la liaison peptidique, a été proposé par Pauling et Corey. Principales caractéristiques de l’hélice α :

• configuration hélicoïdale de la chaîne polypeptidique ayant une symétrie hélicoïdale ;
• la formation de liaisons hydrogène entre les groupes peptidiques de chaque premier et quatrième résidu d'acide aminé ;
• régularité des tours en spirale;
• l'équivalence de tous les résidus d'acides aminés dans l'hélice α, quelle que soit la structure de leurs radicaux latéraux ;
• les radicaux latéraux des acides aminés ne participent pas à la formation de l'hélice α.

Extérieurement, l'hélice α ressemble à la spirale légèrement étirée d'une cuisinière électrique. La régularité des liaisons hydrogène entre les premier et quatrième groupes peptidiques détermine la régularité des tours de la chaîne polypeptidique. La hauteur d'un tour, ou le pas de l'hélice α, est de 0,54 nm ; il comprend 3,6 résidus d'acides aminés, c'est-à-dire que chaque résidu d'acide aminé se déplace le long de l'axe (la hauteur d'un résidu d'acide aminé) de 0,15 nm (0,54 : 3,6 = 0,15 nm), ce qui nous permet de parler d'équivalence de tous les résidus d'acides aminés dans l'hélice α. La période de régularité d'une hélice α est de 5 tours ou 18 résidus d'acides aminés ; la durée d'une période est de 2,7 nm. Riz. 3. Modèle à hélice a de Pauling-Corey

Structure β. Il s'agit d'un type de structure secondaire qui présente une configuration légèrement incurvée de la chaîne polypeptidique et est formée par des liaisons hydrogène interpeptidiques au sein de zones individuelles une chaîne polypeptidique ou des chaînes polypeptidiques adjacentes. On l'appelle également une structure à plis en couches. Il existe des variétés de structures β. Les régions en couches limitées formées par une chaîne polypeptidique d’une protéine sont appelées forme β croisée (structure β courte). Des liaisons hydrogène sous forme β croisée se forment entre les groupes peptidiques des boucles de la chaîne polypeptidique. Un autre type - la structure β complète - est caractéristique de l'ensemble de la chaîne polypeptidique, qui a une forme allongée et est maintenue par des liaisons hydrogène interpeptidiques entre des chaînes polypeptidiques parallèles adjacentes (Fig. 3). Cette structure ressemble au soufflet d'un accordéon. De plus, des variantes de structures β sont possibles : elles peuvent être formées de chaînes parallèles (les extrémités N-terminales des chaînes polypeptidiques sont dirigées dans la même direction) et antiparallèles (les extrémités N-terminales sont dirigées dans la même direction) différents côtés). Les radicaux latéraux d'une couche sont placés entre les radicaux latéraux d'une autre couche.

Dans les protéines, les transitions des structures α aux structures β et inversement sont possibles en raison du réarrangement des liaisons hydrogène. Au lieu de liaisons hydrogène interpeptidiques régulières le long de la chaîne (grâce auxquelles la chaîne polypeptidique est tordue en spirale), les sections hélicoïdales se déroulent et les liaisons hydrogène se ferment entre les fragments allongés des chaînes polypeptidiques. Cette transition se retrouve dans la kératine, la protéine du cheveu. Lors du lavage des cheveux avec des détergents alcalins, la structure hélicoïdale de la β-kératine est facilement détruite et se transforme en α-kératine (les cheveux bouclés se lissent).

La destruction des structures secondaires régulières des protéines (hélices α et structures β), par analogie avec la fusion d'un cristal, est appelée « fusion » des polypeptides. Dans ce cas, les liaisons hydrogène sont rompues et les chaînes polypeptidiques prennent la forme d'un enchevêtrement aléatoire. Par conséquent, la stabilité des structures secondaires est déterminée par les liaisons hydrogène interpeptides. D'autres types de liaisons n'y participent presque pas, à l'exception des liaisons disulfure le long de la chaîne polypeptidique aux emplacements des résidus de cystéine. Les peptides courts sont fermés en cycles en raison des liaisons disulfure. De nombreuses protéines contiennent à la fois des régions hélicoïdales α et des structures β. Il n'existe presque pas de protéines naturelles constituées à 100 % d'hélice α (à l'exception de la paramyosine, une protéine musculaire qui contient 96 à 100 % d'hélice α), tandis que les polypeptides synthétiques ont 100 % d'hélice.

D’autres protéines présentent différents degrés d’enroulement. Une fréquence élevée de structures hélicoïdales α est observée dans la paramyosine, la myoglobine et l'hémoglobine. En revanche, dans la trypsine, une ribonucléase, une partie importante de la chaîne polypeptidique est repliée en structures β en couches. Les protéines des tissus de soutien : la kératine (protéine des cheveux, de la laine), le collagène (protéine des tendons, de la peau), la fibroïne (protéine de la soie naturelle) ont une configuration β de chaînes polypeptidiques. Divers diplômes L'hélicalisation des chaînes polypeptidiques des protéines indique qu'il existe évidemment des forces qui perturbent partiellement l'hélicalisation ou « brisent » le repliement régulier de la chaîne polypeptidique. La raison en est un repliement plus compact de la chaîne polypeptidique protéique dans un certain volume, c'est-à-dire dans une structure tertiaire.

Structure tertiaire des protéines

La structure tertiaire d’une protéine correspond à la manière dont la chaîne polypeptidique est disposée dans l’espace. En fonction de la forme de leur structure tertiaire, les protéines sont principalement divisées en globulaires et fibrillaires. Les protéines globulaires ont le plus souvent une forme ellipsoïde et les protéines fibrillaires (en forme de fil) ont une forme allongée (en forme de bâtonnet ou de fuseau).

Cependant, la configuration de la structure tertiaire des protéines ne donne pas encore de raisons de penser que les protéines fibrillaires n'ont qu'une structure β et que les protéines globulaires ont une structure en hélice α. Il existe des protéines fibrillaires qui ont une structure secondaire repliée en hélice plutôt qu'en couches. Par exemple, l'α-kératine et la paramyosine (protéine du muscle obturateur des mollusques), les tropomyosines (protéines les muscles squelettiques) appartiennent aux protéines fibrillaires (ont la forme d'un bâtonnet) et leur structure secondaire est une hélice α ; en revanche, les protéines globulaires peuvent contenir un grand nombre de structures β.

La spiralisation d'une chaîne polypeptidique linéaire réduit sa taille d'environ 4 fois ; et son emballage dans la structure tertiaire la rend des dizaines de fois plus compacte que la chaîne d'origine.

Liaisons qui stabilisent la structure tertiaire d'une protéine . Les liaisons entre les radicaux latéraux des acides aminés jouent un rôle dans la stabilisation de la structure tertiaire. Ces connexions peuvent être divisées en :

• fort (covalent) [montrer] .

  Les liaisons covalentes comprennent les liaisons disulfure (-S-S-) entre les radicaux latéraux des cystéines situés dans différentes parties de la chaîne polypeptidique ; isopeptide, ou pseudopeptide, - entre les groupes aminés des radicaux latéraux de la lysine, de l'arginine et non des groupes α-amino, et les groupes COOH des radicaux latéraux des acides aspartique, glutamique et aminocitrique, et non des groupes α-carboxyle des acides aminés. D'où le nom de ce type de liaison - de type peptidique. Une liaison ester rare est formée par le groupe COOH des acides aminés dicarboxyliques (aspartique, glutamique) et le groupe OH des acides aminés hydroxylés (sérine, thréonine).

• faible (polaire et van der Waals) [montrer] .

  À liaisons polaires inclure l’hydrogène et l’ionique. Les liaisons hydrogène, comme d'habitude, se produisent entre le groupe -NH 2 , -OH ou -SH du radical latéral d'un acide aminé et le groupe carboxyle d'un autre. Des liaisons ioniques ou électrostatiques se forment lorsque les groupes chargés de radicaux latéraux -NH + 3 (lysine, arginine, histidine) et -COO - (acides aspartique et glutamique) entrent en contact.

  Liaisons non polaires, ou de van der Waals se forment entre radicaux d'hydrocarbures acides aminés. Les radicaux hydrophobes des acides aminés alanine, valine, isoleucine, méthionine et phénylalanine interagissent les uns avec les autres dans un environnement aqueux. Les liaisons van der Waals faibles favorisent la formation d’un noyau hydrophobe de radicaux non polaires à l’intérieur du globule protéique. Plus il y a d’acides aminés non polaires, plus les liaisons de Van der Waals jouent un rôle important dans le repliement de la chaîne polypeptidique.

De nombreuses liaisons entre les radicaux latéraux des acides aminés déterminent la configuration spatiale de la molécule protéique.

Caractéristiques de l'organisation de la structure tertiaire des protéines . La conformation de la structure tertiaire de la chaîne polypeptidique est déterminée par les propriétés des radicaux latéraux des acides aminés qu'elle contient (qui n'ont pas d'effet notable sur la formation de structures primaires et secondaires) et du microenvironnement, c'est-à-dire le environnement. Une fois repliée, la chaîne polypeptidique d'une protéine a tendance à prendre une forme énergétiquement favorable, caractérisée par un minimum d'énergie libre. Par conséquent, les groupes R non polaires, « évitant » l'eau, forment pour ainsi dire la partie interne de la structure tertiaire de la protéine, où se trouve la partie principale des résidus hydrophobes de la chaîne polypeptidique. Il n'y a presque pas de molécules d'eau au centre du globule protéique. Les groupes R polaires (hydrophiles) de l’acide aminé sont situés à l’extérieur de ce noyau hydrophobe et sont entourés de molécules d’eau. La chaîne polypeptidique est complexement courbée dans l’espace tridimensionnel. Lorsqu’il se plie, la conformation hélicoïdale secondaire est perturbée. La chaîne « se brise » aux points faibles où se trouvent la proline ou l'hydroxyproline, car ces acides aminés sont plus mobiles dans la chaîne, ne formant qu'une seule liaison hydrogène avec les autres groupes peptidiques. Un autre site de courbure est la glycine, qui possède un petit groupe R (hydrogène). Par conséquent, les groupes R des autres acides aminés, lorsqu’ils sont empilés, ont tendance à occuper l’espace libre à l’emplacement de la glycine. Un certain nombre d'acides aminés - alanine, leucine, glutamate, histidine - contribuent à la préservation de structures hélicoïdales stables dans les protéines, et comme la méthionine, la valine, l'isoleucine, l'acide aspartique favorisent la formation de structures β. Dans une molécule protéique de configuration tertiaire, il existe des régions sous forme d'hélices α (hélicoïdales), de structures β (en couches) et d'une bobine aléatoire. Seule la disposition spatiale correcte de la protéine la rend active ; sa violation entraîne des modifications des propriétés des protéines et une perte d'activité biologique.

Structure protéique quaternaire

Les protéines constituées d'une chaîne polypeptidique n'ont qu'une structure tertiaire. Il s'agit notamment de la myoglobine, une protéine du tissu musculaire impliquée dans la liaison de l'oxygène, d'un certain nombre d'enzymes (lysozyme, pepsine, trypsine, etc.). Cependant, certaines protéines sont construites à partir de plusieurs chaînes polypeptidiques, chacune possédant une structure tertiaire. Pour de telles protéines, le concept de structure quaternaire a été introduit, qui est l'organisation de plusieurs chaînes polypeptidiques de structure tertiaire en une seule molécule protéique fonctionnelle. Une telle protéine à structure quaternaire est appelée oligomère, et ses chaînes polypeptidiques à structure tertiaire sont appelées protomères ou sous-unités (Fig. 4).

Au niveau quaternaire d'organisation, les protéines conservent la configuration de base de la structure tertiaire (globulaire ou fibrillaire). Par exemple, l’hémoglobine est une protéine de structure quaternaire et composée de quatre sous-unités. Chacune des sous-unités est une protéine globulaire et, en général, l'hémoglobine a également une configuration globulaire. Protéines des cheveux et de la laine - les kératines, liées en structure tertiaire aux protéines fibrillaires, ont une conformation fibrillaire et une structure quaternaire.

Stabilisation de la structure quaternaire des protéines . Toutes les protéines ayant une structure quaternaire sont isolées sous forme de macromolécules individuelles qui ne se décomposent pas en sous-unités. Les contacts entre les surfaces des sous-unités ne sont possibles que grâce aux groupes polaires de résidus d'acides aminés, puisque lors de la formation de la structure tertiaire de chacune des chaînes polypeptidiques, les radicaux latéraux des acides aminés non polaires (qui constituent la majorité des tous les acides aminés protéinogènes) sont cachés à l’intérieur de la sous-unité. De nombreuses liaisons ioniques (sel), hydrogène et dans certains cas disulfure se forment entre leurs groupes polaires, qui maintiennent fermement les sous-unités sous la forme d'un complexe organisé. L'utilisation de substances qui rompent les liaisons hydrogène ou de substances qui réduisent les ponts disulfure provoque la désagrégation des protomères et la destruction de la structure quaternaire de la protéine. Dans le tableau 1 résume les données sur les liaisons qui stabilisent différents niveaux d'organisation de la molécule protéique [montrer] .

Caractéristiques de l'organisation structurelle de certaines protéines fibrillaires

L'organisation structurelle des protéines fibrillaires présente un certain nombre de caractéristiques par rapport aux protéines globulaires. Ces caractéristiques peuvent être observées dans l’exemple de la kératine, de la fibroïne et du collagène. Les kératines existent dans les conformations α et β. Les α-kératines et la fibroïne ont une structure secondaire pliée en couches, cependant, dans la kératine, les chaînes sont parallèles et dans la fibroïne, elles sont antiparallèles (voir Fig. 3) ; De plus, la kératine contient des liaisons disulfure interchaînes, alors que la fibroïne n'en possède pas. La rupture des liaisons disulfure conduit à la séparation des chaînes polypeptidiques dans les kératines. Au contraire, l'éducation nombre maximum Les liaisons disulfure dans les kératines grâce à l'action d'agents oxydants créent une structure spatiale solide. De manière générale, dans les protéines fibrillaires, contrairement aux protéines globulaires, il est parfois difficile de distinguer strictement les différents niveaux d'organisation. Si nous acceptons (comme pour une protéine globulaire) que la structure tertiaire doit être formée en posant une chaîne polypeptidique dans l'espace et la structure quaternaire par plusieurs chaînes, alors dans les protéines fibrillaires, plusieurs chaînes polypeptidiques sont déjà impliquées lors de la formation de la structure secondaire. . Un exemple typique de protéine fibrillaire est le collagène, qui est l’une des protéines les plus abondantes dans le corps humain (environ 1/3 de la masse de toutes les protéines). On le retrouve dans les tissus à haute résistance et faible extensibilité (os, tendons, peau, dents, etc.). Dans le collagène, un tiers des résidus d'acides aminés sont de la glycine et environ un quart ou un peu plus sont de la proline ou de l'hydroxyproline.

La chaîne polypeptidique isolée du collagène (structure primaire) est similaire à ligne brisée. Il contient environ 1 000 acides aminés et a un poids moléculaire d'environ 10 5 (Fig. 5, a, b). Une chaîne polypeptidique est constituée d’un trio répétitif d’acides aminés (triplet) prochaine programmation: gly-A-B, où A et B sont des acides aminés autres que la glycine (le plus souvent la proline et l'hydroxyproline). Les chaînes polypeptidiques du collagène (ou chaînes α) lors de la formation de structures secondaires et tertiaires (Fig. 5, c et d) ne peuvent pas produire d'hélices α typiques à symétrie hélicoïdale. La proline, l'hydroxyproline et la glycine (acides aminés antihélicoïdaux) interfèrent avec cela. Par conséquent, trois chaînes α forment pour ainsi dire des spirales torsadées, comme trois fils s’enroulant autour d’un cylindre. Trois chaînes α hélicoïdales forment une structure de collagène répétitive appelée tropocollagène (Fig. 5d). Le tropocollagène dans son organisation est la structure tertiaire du collagène. Les anneaux plats de proline et d'hydroxyproline alternant régulièrement le long de la chaîne lui confèrent de la rigidité, tout comme les liaisons interchaînes entre les chaînes α du tropocollagène (c'est pourquoi le collagène résiste à l'étirement). Le tropocollagène est essentiellement une sous-unité des fibrilles de collagène. La pose des sous-unités de tropocollagène dans la structure quaternaire du collagène se fait par étapes (Fig. 5e).

La stabilisation des structures de collagène est due aux liaisons hydrogène, ioniques et de Van der Waals entre chaînes et à un petit nombre de liaisons covalentes.

Les chaînes α du collagène ont des structures chimiques différentes. Il existe des chaînes α 1 différents types(I, II, III, IV) et chaînes α 2. Selon les chaînes α 1 - et α 2 impliquées dans la formation de l'hélice à trois brins du tropocollagène, on distingue quatre types de collagène :

• le premier type - deux chaînes α 1 (I) et une chaîne α 2 ;
• le deuxième type - trois chaînes α 1 (II);
• troisième type - trois chaînes α 1 (III);
• quatrième type - trois chaînes α 1 (IV).

Le collagène le plus courant est le premier type : on le trouve dans les tissus osseux, la peau, les tendons ; Le collagène de type II se trouve dans tissu cartilagineux etc. Un type de tissu peut contenir différents types de collagène.

L'agrégation ordonnée des structures de collagène, leur rigidité et leur inertie assurent la haute résistance des fibres de collagène. Les protéines de collagène contiennent également des composants glucidiques, c'est-à-dire qu'il s'agit de complexes protéines-glucides.

Le collagène est une protéine extracellulaire formée par les cellules du tissu conjonctif présentes dans tous les organes. Par conséquent, en cas de dommages au collagène (ou de perturbation de sa formation), de multiples violations des fonctions de soutien du tissu conjonctif des organes se produisent.

Une chaîne polypeptidique linéaire dans l'eau est capable de se replier spontanément en une structure tridimensionnelle complexe (globule), et ce n'est que sous cette forme repliée que les protéines peuvent effectuer une catalyse chimique et d'autres travaux intéressants. Par conséquent, il est d’une importance fondamentale pour nous de connaître le repliement tridimensionnel de la protéine, car ce n’est qu’à ce niveau que le fonctionnement de la protéine devient clair.

Question: À combien de structures tridimensionnelles correspondent une protéine particulière ?
Répondre: Un, jusqu'à une légère mobilité des petites boucles « désordonnées ». Il existe exactement une exception connue, lorsqu'une séquence correspond à 2 structures bien différentes, ce sont les prions.

Question: Sur quoi est basée la structure tridimensionnelle d'une protéine ?
Répondre: bref, principalement sur un grand nombre d'interactions non covalentes. En principe, les groupes chimiques d'une protéine peuvent former : (1) une liaison hydrogène, ces groupes sont présents à la fois dans la chaîne principale et dans certains groupes latéraux, (2) une liaison ionique - interaction électrostatique entre des groupes latéraux de charges opposées, ( 3) l'interaction de Van der Waals et (4) l'effet hydrophobe sur lequel repose la structure globale de la protéine. L'essentiel est qu'une protéine contient toujours des résidus aromatiques hydrophobes ; il est énergétiquement défavorable qu'ils entrent en contact avec des molécules d'eau polaires, mais il est avantageux qu'ils « se collent » les uns aux autres. Ainsi, lorsqu'une protéine se replie, les groupes hydrophobes sont poussés hors du milieu aqueux, « se collant » les uns aux autres et formant un « noyau hydrophobe », tandis que les groupes polaires et chargés, au contraire, tendent vers le milieu aqueux, formant la surface. du globule protéique. De plus (5) les groupes latéraux de deux résidus de cystéine peuvent former entre eux un pont disulfure - une liaison covalente à part entière qui fixe de manière rigide la protéine.

En conséquence, tous les acides aminés sont divisés en acides hydrophobes, polaires (hydrophiles), chargés positivement et négativement. Plus les cystéines, qui peuvent former des liaisons covalentes entre elles. La glycine a des propriétés particulières - elle n'a pas de groupe latéral, ce qui limite considérablement la mobilité conformationnelle des autres résidus, elle peut donc « se plier » très fortement et se situe dans des endroits où chaîne protéique doivent être déployés. Chez la proline, au contraire, le groupe latéral forme un anneau lié de manière covalente à la chaîne principale, fixant rigidement sa conformation. Les prolines se trouvent là où il est nécessaire de rendre la chaîne protéique rigide et inflexible. De nombreuses maladies sont associées à une mutation de la proline en glycine, ce qui fait que la structure protéique « flotte » légèrement.

Question: Comment connaissons-nous les structures tridimensionnelles des protéines ?
Répondre: issue de l'expérience, ce sont des données absolument fiables.
Il existe désormais 3 méthodes de détermination expérimentale de la structure des protéines : la résonance magnétique nucléaire (RMN), la cryo-EM (microscopie électronique) et l'analyse par diffraction des rayons X des cristaux de protéines.

La RMN permet de déterminer la structure d’une protéine en solution, mais elle ne fonctionne que pour les très petites protéines (il est impossible de déconvoluer pour les grosses).


Cette méthode était importante pour la preuve générale qu'une protéine n'a qu'une seule structure tridimensionnelle et que la structure de la protéine dans le cristal est identique à celle en solution. Il s’agit d’une méthode très coûteuse, car elle nécessite des protéines marquées isotopiquement.

Cryo-EM consiste simplement à congeler une solution protéique et à la microscopier. L'inconvénient de cette méthode est sa faible résolution (uniquement forme générale molécule, mais on ne voit pas comment elle est structurée à l'intérieur), de plus la densité de la protéine est proche de la densité de l'eau/solvant, donc le signal est noyé dans un niveau de bruit élevé. Cette méthode utilise activement Technologies informatiques travailler avec des images et des statistiques pour extraire le signal du bruit.

Des millions d'images de molécules protéiques sont sélectionnées, divisées en classes en fonction de l'orientation de la molécule par rapport au substrat, d'une moyenne entre les classes, de la génération d'images propres, d'un nouveau cycle de moyenne, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'elle converge. Puis à partir des informations de différentes classes il est possible de reconstruire une vue 3D basse résolution de la molécule. S'il existe une symétrie interne des particules (par exemple, dans l'analyse cryo-EM des virus), alors chaque particule peut également être moyennée conformément aux opérateurs de symétrie - alors la résolution sera encore meilleure, mais pire que dans le cas de X- analyse par diffraction des rayons.

L'analyse par diffraction des rayons X est la principale méthode de détermination des structures protéiques. Le principal avantage est qu'il est potentiellement possible d'obtenir des cristaux de complexes, même de très grande taille, à partir de plusieurs dizaines de protéines (par exemple, c'est ainsi que la structure du ribosome a été déterminée - Prix Nobel 2009). L'inconvénient de cette méthode est que vous devez d'abord obtenir un cristal de protéine, mais toutes les protéines ne veulent pas cristalliser.

Mais une fois le cristal obtenu, par diffraction rayonnement X peut déterminer sans ambiguïté les positions de tous les atomes (ordonnés) dans une molécule de protéine, cette méthode donne le plus une haute résolution et permet de meilleurs cas voir les positions des atomes individuels. Il a été prouvé que la structure de la protéine en cristal correspond uniquement à la structure en solution.

Il existe maintenant une convention : si vous avez déterminé la structure d'une protéine à l'aide de l'une des méthodes expérimentales méthodes physiques, la structure devrait être placée dans le domaine public dans la Protein Data Bank (PDB, www.pdb.org), il y a actuellement plus de 90 000 structures (cependant, beaucoup d'entre elles répètent, par exemple, des complexes du même protéine avec diverses petites molécules, comme des médicaments). Dans PDB, toutes les structures sont dans un format standard appelé, du coup, pdb. Il s'agit d'un format de texte dans lequel chaque atome de la structure correspond à une ligne, qui indique le numéro de l'atome dans la structure, le nom de l'atome (carbone, azote, etc.), le nom de l'acide aminé que contient le l'atome fait partie, le nom de la chaîne protéique (A, B, C, etc. , s'il s'agit d'un cristal d'un complexe de plusieurs protéines), le numéro de l'acide aminé dans la chaîne et les coordonnées tridimensionnelles de l'atome en angströms par rapport à l'origine, plus ce qu'on appelle facteur de température et la population (ce sont des paramètres purement cristallographiques).

ATOM 1 N HIS A 17 -12,690 8,753 5,446 1,00 29,32 N ATOM 2 CA HIS A 17 -11,570 8,953 6,350 1,00 21,61 C ATOM 3 C HIS A 17 -10,274 8,970 5,544 1,00 22. 01 C ATOM 4 O HIS A 17 -10.193 8.315 4,491 1,00 29,95 O ATOM 5 CB HIS A 17 -11,462 7,820 7,380 1,00 23,64 C ATOM 6 CG HIS A 17 -12,551 7,811 8,421 1,00 21,18 C ATOM 7 ND1 HIS A 17 -13,731 7,137 8,1 94 1,00 28,94 N ATOM 8 CD2 HIS A 17 -12,634 8,384 9,644 1,00 21,69 C ATOM 9 CE1 HIS A 17 -14,492 7,301 9,267 1,00 27,01 C ATOM 10 NE2 HIS A 17 -13,869 8,058 10,168 1,00 22,66 N ATOM 1 1 N ILE A 18 -9,2 69 9,660 6,089 1,00 19,45 N ATOM 12 CA ILE A 18 - 7,910 9,377 5,605 1,00 18,67 C ATOM 13 C ILE A 18 -7,122 8,759 6,749 1,00 16,24 C ATOM 14 O ILE A 18 -7,425 8,919 7,929 1,00 18,80 O 15 CB ILE A 18 -7,228 10,640 5,088 1,00 20,22 C ATOM 16 CG1 ILE A 18 -7,062 11,686 6,183 1,00 18,52 C ATOM 17 CG2 ILE A 18 -7,981 11,176 3,889 1,00 24,61 C ATOM 18 CD1 ILE A 18 -6,161 12,824 5,749 1. 00 28,21 C ATOM 19 N ASN A 19 -6,121 8,023 6,349 1,00 15,46 N ATOM 20 CA ASN A 19 -5,239 7,306 7,243 1,00 14,34 C ATOM 21 C ASN A 19 -4,012 8,178 7,507 1,00 14,83 C ATOM 22 O ASN A 19 -3,431 8,715 6,575 1,00 18 .03 O ATOM 23 CB ASN A 19 -4,825 6,003 6,573 1,00 17,71 C ATOM 24 CG ASN A 19 -6,062 5,099 6,413 1,00 21,26 C ATOM 25 OD1 ASN A 19 -6,606 4,651 7,400 1,00 26,18 O ATOM 26 ND2 ASN A 19 -6,320 99 5,151 1,00 31,73N

Il y a ensuite programmes spéciaux, qui, selon les données de ce fichier texte, peut afficher graphiquement la belle structure tridimensionnelle d'une molécule de protéine, qui peut être tournée sur l'écran du moniteur et, comme l'a dit Guy Dodson, « toucher la molécule avec la souris » (pour exemple, PyMol, CCP4mg, ancien RasMol). Autrement dit, il est facile d'examiner les structures des protéines - installez le programme, téléchargez la structure souhaitée de PDB et profitez de la beauté de la nature.

4. Analyser la structure

La structure secondaire d’une protéine est déterminée par les interactions des atomes du squelette protéique. Comme mentionné ci-dessus, la chaîne principale d'une protéine comprend des donneurs et des accepteurs de liaisons hydrogène, la chaîne principale peut donc acquérir une certaine structure. Plus précisément, plusieurs structures différentes (les détails dépendent encore des différents groupes latéraux), puisque la formation de différentes liaisons hydrogène alternatives entre les groupes de la chaîne principale est possible. Les structures sont les suivantes : hélice alpha, feuillets bêta (constitués de plusieurs brins bêta), qui peuvent être parallèles ou antiparallèles, spire bêta. De plus, une partie de la chaîne peut ne pas avoir une structure prononcée, par exemple dans la région du tour de la boucle protéique. Ces types de structures ont leurs propres désignations schématiques établies - hélice alpha sous la forme d'une hélice ou d'un cylindre, brins bêta sous la forme de larges flèches. La structure secondaire peut être prédite de manière assez fiable à partir de la structure primaire (JPred est la norme), les hélices alpha sont prédites avec la plus grande précision et il existe des chevauchements avec les brins bêta.

La structure tertiaire d'une protéine est déterminée par l'interaction des groupes latéraux de résidus d'acides aminés ; c'est la structure tridimensionnelle de la protéine. On peut imaginer que la structure secondaire a été formée et que maintenant ces hélices et brins bêta veulent s'emboîter dans une structure tridimensionnelle compacte, de sorte que tous les groupes latéraux hydrophobes « se collent » tranquillement dans les profondeurs du globule protéique, formant un noyau hydrophobe, et les résidus polaires et chargés dépassent dans l'eau, formant la surface de la protéine et stabilisant les contacts entre les éléments de la structure secondaire. La structure tertiaire est représentée schématiquement de plusieurs manières. Si vous dessinez simplement tous les atomes, vous obtiendrez un désordre (même si lorsque nous analysons le site actif d'une protéine, nous voulons examiner tous les atomes des résidus actifs).

Si nous voulons voir comment la protéine entière est organisée en général, nous pouvons afficher seulement certains des atomes de la chaîne principale pour voir sa progression. En option, vous pouvez dessiner un beau diagramme, où les éléments de la structure secondaire sont schématiquement dessinés au-dessus de la disposition réelle des atomes - de cette façon, le repliement des protéines est visible au premier coup d'œil. Après avoir étudié l'ensemble de la structure sous une forme générale et schématique, vous pouvez afficher les groupes chimiques du site actif et vous concentrer sur eux. Le problème de la prédiction de la structure tertiaire d’une protéine n’est pas trivial et ne peut être résolu dans le cas général, bien qu’il puisse l’être dans des cas particuliers. Plus de détails ci-dessous.

Structure protéique quaternaire - oui, une telle chose existe, même si toutes les protéines ne l'ont pas. De nombreuses protéines fonctionnent de manière indépendante (les monomères, dans ce cas un monomère signifie une seule chaîne polypeptidique repliée, c'est-à-dire la protéine entière), leur structure quaternaire est alors égale à la structure tertiaire. Cependant, de nombreuses protéines ne fonctionnent que dans un complexe constitué de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités ou monomères - dimères, trimères, tétramères, multimères), alors un tel assemblage de plusieurs chaînes individuelles est appelé structure quaternaire. L'exemple le plus banal est l'hémoglobine, constituée de 4 sous-unités ; le plus bel exemple, à mon avis, est la protéine bactérienne TRAP, constituée de 11 sous-unités identiques.

5. Tâches informatiques

Au niveau de la structure primaire– rechercher des protéines avec des séquences d’acides aminés similaires, construire des arbres évolutifs basés sur celles-ci, etc. – problèmes classiques bioinformatique. La plateforme principale est le NCBI – Centre national d'information sur la biotechnologie, www.ncbi.nlm.nih.gov. Pour rechercher des protéines avec des séquences similaires, BLAST est utilisé en standard : blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi

Prédiction de la solubilité des protéines. Le fait est que si nous lisons le génome d'un animal, en déterminons les séquences protéiques et que nous clonons ces gènes dans Escherichia coli ou le système d'expression du baculovirus, il s'avère que lorsqu'elles sont exprimées dans ces systèmes, environ un tiers des protéines seront ne se plie pas dans la structure correcte et, par conséquent, sera insoluble. Il s'avère ici que les grosses protéines sont en réalité constituées de « domaines » séparés, dont chacun représente une partie autonome et fonctionnelle de la protéine (portant l'une de ses fonctions) et souvent en « supprimant » un domaine distinct d'un gène, vous pouvez obtenir une protéine soluble, déterminer sa structure et mener des expériences avec elle. Les gens essaient d'utiliser l'apprentissage automatique ( les réseaux de neurones, SVM et autres classificateurs) pour prédire la solubilité des protéines, mais cela fonctionne assez mal (Google affichera beaucoup de choses pour la requête « prédiction de la solubilité des protéines » - il existe de nombreux serveurs, mais d'après mon expérience, ils fonctionnent tous de manière dégoûtante sur mes protéines) . Idéalement, j'aimerais voir un service qui indiquerait de manière fiable où se trouvent ces domaines solubles dans une protéine, afin qu'ils puissent être découpés et utilisés - un tel service n'existe pas.

Au niveau des structures secondaires– prédiction de la même structure secondaire à partir de la structure primaire (JPred)

Au niveau des structures tertiaires– recherche de protéines présentant des structures tridimensionnelles similaires (DALI, en.wikipedia.org/wiki/Structural_alignment),
Recherche de structures basées sur une sous-structure donnée. Par exemple, j’ai la disposition de trois acides aminés actifs dans l’espace. Je veux trouver des structures qui contiennent les trois mêmes acides aminés dans le même arrangement relatif, ou trouver des structures protéiques dont la mutation permettra d'arranger les acides aminés nécessaires de la manière souhaitée. (Google « recherche de sous-structure protéique »)
Prédiction de la mobilité potentielle d'une structure tridimensionnelle, changements conformationnels possibles - analyse en mode normal, ElNemo.

Au niveau de la structure quaternaire– supposons que les structures de deux protéines soient connues. Ils sont connus pour former un complexe. Prédire la structure du complexe (déterminer comment ces deux protéines vont interagir via une correspondance de forme, par exemple). Google « amarrage protéine-protéine »

6. Prédiction de la structure des protéines

Nous savons expérimentalement que si vous prenez une protéine, la dépliez complètement et la jetez dans l'eau, elle se repliera dans son état d'origine en quelques millisecondes ou secondes (cette affirmation est vraie au moins pour les petites protéines globulaires sans aucune pathologie). Cela signifie que toutes les informations nécessaires pour déterminer la structure tridimensionnelle d'une protéine sont implicitement contenues dans sa séquence primaire, c'est pourquoi il existe un grand désir d'apprendre à prédire la structure tridimensionnelle d'une protéine à partir de l'acide aminé. séquence in silico! Cependant, ce problème n’est pas encore résolu dans le cas général. Quel est le problème? Le fait est que la séquence primaire ne contient pas explicitement les informations nécessaires à la construction de la structure. Premièrement, il n’existe aucune information sur la conformation de la chaîne principale – et celle-ci présente une mobilité importante, bien que quelque peu limitée pour des raisons stériques. De plus, chaque chaîne latérale de chaque acide aminé peut avoir des conformations différentes ; pour les chaînes latérales longues comme l’arginine, cela peut représenter plus d’une douzaine de conformations.

Ce qu'il faut faire? Il y en a un bien connu des habitants de Khabra. approche générale, appelé « dynamique moléculaire » et adapté à toutes molécules et systèmes. Nous prenons une protéine dépliée, attribuons des vitesses aléatoires à tous les atomes, comptons les interactions entre les atomes et répétons jusqu'à ce que le système atteigne un état stable correspondant à la protéine repliée. Pourquoi ça ne marche pas ? Car la puissance de calcul moderne permet, sur des mois de fonctionnement d’un cluster, de compter des dizaines de nanosecondes pour un système de milliers d’atomes, comme une protéine placée dans l’eau. Le temps de repliement des protéines est de quelques millisecondes ou plus, c'est-à-dire qu'il n'y a pas assez de puissance de calcul, l'écart est de plusieurs ordres de grandeur. Cependant, il y a quelques années, les Américains ont fait une percée. Ils ont utilisé un matériel spécial optimisé pour les calculs vectoriels et après optimisation au niveau matériel, après des mois de fonctionnement de la machine, ils ont pu calculer la dynamique moléculaire en millisecondes près pour une très petite protéine et la protéine repliée, la structure correspondait à celle déterminée expérimentalement. (http://en.wikipedia.org/wiki /Anton_(computer)) ! Il est toutefois trop tôt pour célébrer la victoire. Ils ont pris une protéine très petite (sa taille est 5 à 10 fois plus petite que la protéine moyenne) et l'une des protéines à repliement les plus rapides, un modèle de protéine classique sur lequel le repliement a été étudié. Pour les grosses protéines, le temps de calcul augmente de manière non linéaire et prendra des années, ce qui signifie qu’il reste encore du travail à faire.

Une approche différente est mise en œuvre dans Rosetta. Ils divisent la séquence protéique en fragments très courts (3 à 9 résidus) et examinent les conformations de ces fragments présentes dans le PDB, puis exécutent Monte Carlo sur toutes les variantes et voient ce qui se passe. Parfois, quelque chose de bien en sort, mais dans mon cas, après quelques jours de fonctionnement du cluster, vous obtenez un tel beignet qu'une question silencieuse se pose : « Qui a écrit sa fonction d'évaluation qui met certains bonne note ce gribouillis ?

Il existe également des outils de modélisation manuelle - vous pouvez prédire la structure secondaire et essayer de la tordre manuellement pour trouver le meilleur ajustement. Quelques des gens brillants Ils ont même sorti un jouet appelé FoldIt, qui représente schématiquement la protéine et permet de la plier, comme pour assembler un puzzle (je le recommande à ceux qui s'intéressent à la structure !). Il existe un concours entièrement officiel pour les prédicteurs de la structure des protéines appelé CASP. Le fait est que lorsque les expérimentateurs déterminent nouvelle structure protéine qui n'a pas d'analogue dans le PDB, ils ne peuvent pas la télécharger immédiatement dans le PDB, mais soumettre la séquence de cette protéine au concours de prédiction CASP. Après un certain temps, lorsque tout le monde a terminé ses modèles prédictifs, les expérimentateurs exposent leur structure protéique déterminée expérimentalement et voient dans quelle mesure les prédicteurs ont fonctionné. La chose la plus intéressante est que les joueurs de FoldIt, qui n'étaient pas des scientifiques, ont gagné le CASP contre des professionnels de la modélisation de la structure des protéines et ont prédit la structure des protéines avec plus de précision. Cependant, même ces succès ne permettent pas de dire que le problème de la prédiction de la structure des protéines est en train d'être résolu - très souvent, le modèle est très éloigné de la structure réelle.

Tout cela lié à la modélisation des protéines ab initio, lorsqu'il n'y a pas d'information a priori sur la structure. Cependant, il arrive très souvent que pour certaines protéines, un parent éloigné avec une structure déjà connue soit présent dans le PDB. Par relatif, on entend une protéine ayant une séquence primaire similaire. Les protéines avec une similarité de séquence primaire supérieure à 30 % sont considérées comme ayant un repliement de squelette identique (bien qu'un repliement similaire ait également été observé pour des protéines qui ne présentent aucune similarité de séquence primaire statistiquement significative). S'il existe un homologue (protéine similaire) avec une structure connue, vous pouvez faire une « modélisation homologue », c'est-à-dire simplement « étendre » la séquence de votre protéine sur structure connue homologue, puis conduire à la minimisation de l'énergie afin de régler tout cela d'une manière ou d'une autre. Cette modélisation montre bons résultats En présence d’homologues très proches, plus l’homologue est éloigné, plus l’erreur est grande. Outils de modélisation d'homologie – Modeller, SwissModel.

Vous pouvez résoudre d'autres problèmes, par exemple essayer de simuler ce qui se passera si vous introduisez l'une ou l'autre mutation dans une protéine. Par exemple, si vous remplacez un acide aminé hydrophile à la surface d’une protéine par un autre hydrophile, il est fort probable que la structure de la protéine ne changera pas du tout. Si vous remplacez un acide aminé d'un noyau hydrophobe par un autre hydrophobe, mais de taille différente, il est fort probable que le repli protéique restera le même, mais se « décalera » légèrement de fractions d'angström. Si vous remplacez un acide aminé d'un noyau hydrophobe par un acide chargé, il est fort probable que la protéine « explosera » simplement et ne pourra pas se replier.

Il peut sembler que les choses ne vont pas si mal et nous avons une assez bonne compréhension du repliement des protéines. Oui, nous comprenons certaines choses, par exemple, dans une certaine mesure, nous comprenons le sens général principes physiques, qui sous-tendent le repliement de la chaîne polypeptidique - ils sont discutés dans le merveilleux manuel de Ptitsyn et Finkelstein « Physics of Protein ». Cependant, cette compréhension générale ne permet pas de répondre aux questions « Cette protéine va-t-elle se replier ou non ? », « Quelle structure aura cette protéine ? », « Comment fabriquer une protéine avec la structure souhaitée ?

En voici une illustration : nous souhaitons localiser l'un des domaines d'une grosse protéine, celle-ci tâche standard. Nous avons un fragment qui se plie et est soluble, ce qui signifie que c'est une protéine vivante et saine. Nous voulons trouver sa partie minimale et commencer à utiliser les méthodes ingénierie génétique retirez 2-3 acides aminés des deux extrémités, exprimez une telle protéine coupée dans des bactéries et observez son repliement expérimentalement. Nous créons des dizaines de constructions avec de si petites délétions et voyons l'image suivante : une protéine complètement soluble et vivante diffère d'une protéine complètement morte et non repliable par 3 acides aminés. Je le répète, il s’agit d’un résultat expérimental objectif. Le problème est qu'il n'existe actuellement aucune méthode informatique qui permettrait de prédire le repliement d'une protéine au moins à un niveau oui/non et de me dire où se situe la frontière entre une protéine repliée et une protéine non repliable. Nous sommes donc obligés de cloner et de tester expérimentalement. des dizaines de variantes. Ceci n’est qu’une illustration du fait que notre compréhension de la structure des protéines est loin d’être parfaite. Comme le disait Richard Feynman : « Ce que je ne peux pas recréer, je ne le comprends pas. »

Alors messieurs, programmeurs, physiciens et mathématiciens, nous avons encore du travail à faire.

Sur cette note optimiste, permettez-moi de prendre congé, merci à tous ceux qui ont maîtrisé cet opus.

Pour une compréhension approfondie du sujet, je recommande le minimum suivant :
1) « Physique des protéines » Ptitsyn et Finkelstein. Alexey Vitalievich Finkelshtein a publié la plupart du matériel en ligne, que je recommande vivement d'utiliser : phys.protres.ru/lectures/protein_physics/index.html (et j'y ai volé quelques photos)
2) Patrushev, « Systèmes génétiques artificiels », en particulier la partie II « Ingénierie des protéines ». Disponible sur torrents au format Djvu
3) Pour les informations publiées dans des revues scientifiques biologiques, il existe le moteur de recherche officiel PubMed (www.pubmed.org) - cela vaut la peine de lui demander de lire sur « l'ingénierie des protéines », etc.

Mots clés:

• la biologie
• bioinformatique
• biotechnologie

L En raison de l'interaction des groupes fonctionnels d'acides aminés, les chaînes polypeptidiques linéaires de protéines individuelles acquièrent une certaine structure spatiale tridimensionnelle, appelée « conformation ». Toutes les molécules de protéines individuelles (c'est-à-dire celles ayant la même structure primaire) forment la même conformation en solution. Par conséquent, toutes les informations nécessaires à la formation des structures spatiales se trouvent dans la structure primaire des protéines.

Dans les protéines, il existe 2 principaux types de conformation des chaînes polypeptidiques : les structures secondaires et tertiaires.

2. Structure secondaire des protéines - structure spatiale résultant de l’interaction entre les groupes fonctionnels du squelette peptidique.

Dans ce cas, les chaînes peptidiques peuvent acquérir des structures régulières de deux types : hélices α

Structure β Par structure β, nous entendons une figure semblable à une feuille pliée en accordéon. La figure est formée en raison de la formation de nombreuses liaisons hydrogène entre les atomes des groupes peptidiques des régions linéaires d'une chaîne polypeptidique formant des courbures, ou entre différents groupes polypeptidiques.

Les obligations sont de l'hydrogène, ils stabilisent des fragments individuels de macromolécules.

3. Structure tertiaire des protéines - une structure spatiale tridimensionnelle formée en raison des interactions entre les radicaux d'acides aminés, qui peuvent être situés à une distance considérable les uns des autres dans la chaîne polypeptidique.

Structurellement constitué d'éléments de structure secondaire, stabilisés par divers types d'interactions, dans lesquelles les interactions hydrophobes jouent un rôle critique
la stabilisation de la structure tertiaire de la protéine participe :

· liaisons covalentes (entre deux résidus cystéine - ponts disulfure) ;

· liaisons ioniques entre des groupes latéraux de résidus d'acides aminés chargés de manière opposée ;

· liaisons hydrogène ;

· interactions hydrophiles-hydrophobes. Lorsqu'elle interagit avec les molécules d'eau environnantes, la molécule de protéine « a tendance » à se replier de sorte que les groupes latéraux non polaires des acides aminés sont isolés de la solution aqueuse ; des groupes latéraux polaires hydrophiles apparaissent à la surface de la molécule.

4. La structure quaternaire est l'arrangement relatif de plusieurs chaînes polypeptidiques au sein d'un seul complexe protéique. Les molécules protéiques qui composent une protéine à structure quaternaire se forment séparément sur les ribosomes et ce n'est qu'une fois la synthèse terminée qu'elles forment une structure supramoléculaire commune. Une protéine de structure quaternaire peut contenir des chaînes polypeptidiques identiques ou différentes. Participer à la stabilisation de la structure quaternaire les mêmes types d’interactions que dans la stabilisation du tertiaire. Les complexes protéiques supramoléculaires peuvent être constitués de dizaines de molécules.

Rôle.

La formation de peptides dans l'organisme se produit en quelques minutes, alors que la synthèse chimique en laboratoire est tout à fait Processus long, ce qui peut prendre plusieurs jours, et le développement de la technologie de synthèse peut prendre plusieurs années. Cependant, malgré cela, il existe des arguments assez solides en faveur de travaux sur la synthèse d'analogues de peptides naturels. Premièrement, par modification chimique des peptides, il est possible de confirmer l'hypothèse de la structure primaire. Les séquences d'acides aminés de certaines hormones ont été connues précisément grâce à la synthèse de leurs analogues en laboratoire.

Deuxièmement, les peptides synthétiques permettent d'étudier plus en détail la relation entre la structure d'une séquence d'acides aminés et son activité. Pour clarifier la relation entre la structure spécifique du peptide et son activité biologique, d'énormes travaux ont été réalisés sur la synthèse de plus d'un millier d'analogues. En conséquence, il a été constaté que le remplacement d’un seul acide aminé dans la structure d’un peptide peut augmenter plusieurs fois son activité biologique ou changer sa direction. Et changer la longueur de la séquence d'acides aminés aide à déterminer l'emplacement des centres actifs du peptide et le site d'interaction avec le récepteur.

Troisièmement, grâce à la modification de la séquence originale d’acides aminés, il est devenu possible d’obtenir des médicaments pharmacologiques. La création d'analogues de peptides naturels permet d'identifier des configurations plus « efficaces » de molécules qui améliorent effet biologique ou faites-le durer plus longtemps.

Quatrièmement, la synthèse chimique des peptides est économiquement bénéfique. La plupart des médicaments thérapeutiques coûteraient des dizaines de fois plus cher s’ils étaient fabriqués à partir d’un produit naturel.

Souvent, les peptides actifs ne se trouvent dans la nature qu’en quantités nanogrammes. De plus, des méthodes pour purifier et isoler les peptides de sources naturelles ne peut pas séparer complètement la séquence d'acides aminés souhaitée des peptides ayant un effet opposé ou autre. Et dans le cas de peptides spécifiques synthétisés par le corps humain, ils ne peuvent être obtenus que par synthèse dans conditions de laboratoire.

57. Classification des protéines : simples et complexes, globulaires et fibrillaires, monomères et oligomères. Fonctions des protéines dans le corps.

Classement par type de structure

Par type général La structure des protéines peut être divisée en trois groupes :

1. Protéines fibrillaires - forment des polymères, leur structure est généralement très régulière et est maintenue principalement par les interactions entre différentes chaînes. Ils forment des microfilaments, des microtubules, des fibrilles et soutiennent la structure des cellules et des tissus. Les protéines fibrillaires comprennent la kératine et le collagène.

2. Les protéines globulaires sont solubles dans l'eau, la forme générale de la molécule est plus ou moins sphérique.

3. Protéines membranaires - ont des domaines qui traversent la membrane cellulaire, mais certaines parties dépassent de la membrane dans l'environnement intercellulaire et le cytoplasme de la cellule. Les protéines membranaires fonctionnent comme des récepteurs, c'est-à-dire qu'elles transmettent des signaux et assurent également le transport transmembranaire de diverses substances. Les protéines transporteuses sont spécifiques ; chacune d’elles ne laisse passer que certaines molécules ou un certain type de signal à travers la membrane.

Protéines simples , Protéines complexes

En plus des chaînes peptidiques, de nombreuses protéines contiennent également des groupes non-acides aminés et, selon ce critère, les protéines sont divisées en deux. Grands groupes - protéines simples et complexes(protéides). Les protéines simples sont constituées uniquement de chaînes polypeptidiques ; les protéines complexes contiennent également des groupes non acides aminés, ou prothétiques.

Simple.

Parmi les protéines globulaires on peut distinguer :

1. albumines - solubles dans l'eau sur une large plage de pH (de 4 à 8,5), précipitées avec une solution à 70-100 % de sulfate d'ammonium ;

2. les globulines polyfonctionnelles de poids moléculaire plus élevé, moins solubles dans l'eau, solubles dans les solutions salines, contiennent souvent une partie glucidique ;

3. les histones sont des protéines de faible poids moléculaire avec une teneur élevée en résidus arginine et lysine dans la molécule, qui déterminent leurs propriétés fondamentales ;

4. les protamines se distinguent par une teneur en arginine encore plus élevée (jusqu'à 85 %), comme les histones, elles forment des associés stables avec les acides nucléiques, agissant comme des protéines régulatrices et répressives - partie intégrante des nucléoprotéines ;

5. les prolamines se caractérisent par une teneur élevée en acide glutamique (30-45%) et en proline (jusqu'à 15%), insolubles dans l'eau, solubles dans 50-90% d'éthanol ;

6. Les glutélines contiennent environ 45 % d'acide glutamique, comme les prolamines, et se trouvent souvent dans les protéines des céréales.

Les protéines fibrillaires sont caractérisées par une structure fibreuse et sont pratiquement insolubles dans l'eau et les solutions salines. Les chaînes polypeptidiques des molécules sont parallèles les unes aux autres. Participer à la formation des éléments structurels du tissu conjonctif (collagènes, kératines, élastines).

Protéines complexes

(protéides, holoprotéines) sont des protéines à deux composants qui, en plus des chaînes peptidiques (protéine simple), contiennent un composant non acide aminé - un groupe prothétique. Lorsque des protéines complexes sont hydrolysées, en plus des acides aminés, la partie non protéique ou ses produits de dégradation sont libérés.

Diverses substances organiques (lipides, glucides) et inorganiques (métaux) peuvent agir comme un groupe prothétique.

Selon la nature chimique des groupes prothétiques, on distingue les classes suivantes parmi les protéines complexes :

· Glycoprotéines contenant des résidus glucidiques liés de manière covalente en tant que groupe prothétique et leur sous-classe - protéoglycanes, avec des groupes prothétiques mucopolysaccharides. La formation de liaisons avec les résidus glucidiques implique généralement groupes hydroxyles sérine ou thréonine. La plupart des protéines extracellulaires, notamment les immunoglobulines, sont des glycoprotéines. La part glucidique des protéoglycanes est d'environ 95 % ; ils constituent le composant principal de la matrice intercellulaire.

· Lipoprotéines contenant des lipides liés de manière non covalente comme partie prothétique. Les lipoprotéines sont formées de protéines apolipoprotéiques qui s'y lient aux lipides et remplissent la fonction de transport des lipides.

· Métalloprotéines contenant des ions métalliques non hème coordonnés. Parmi les métalloprotéines, il existe des protéines qui remplissent des fonctions de stockage et de transport (par exemple, la ferritine et la transferrine contenant du fer) et des enzymes (par exemple, l'anhydrase carbonique contenant du zinc et diverses superoxydes dismutases contenant du cuivre, du manganèse, du fer et d'autres ions métalliques comme centres actifs )

· Les nucléoprotéines contenant de l'ADN ou de l'ARN lié de manière non covalente, en particulier la chromatine, qui constitue les chromosomes, sont une nucléoprotéine.

· Phosphoprotéines contenant des résidus d'acide phosphorique liés de manière covalente en tant que groupe prothétique. Les groupes hydroxyles de la sérine ou de la thréonine participent à la formation d'une liaison ester avec le phosphate ; la caséine du lait, en particulier, est une phosphoprotéine :

· Les chromoprotéines sont le nom collectif des protéines complexes comportant des groupes prothétiques colorés de diverses natures chimiques. Ceux-ci comprennent de nombreuses protéines avec un groupe prothétique porphyrine contenant du métal qui remplissent diverses fonctions - hémoprotéines (protéines contenant de l'hème comme groupe prothétique - hémoglobine, cytochromes, etc.), chlorophylles avec un groupe flavine, etc.

1. Fonction structurelle

2. Fonction de protection

3. Fonction de régulation

4. Fonction d'alarme

5. Fonction de transport

6. Fonction de rechange (sauvegarde)

7. Fonction du récepteur

8. Fonction moteur (moteur)

Les protéines sont des composés organiques de haut poids moléculaire. Ces substances sont également appelées protéines et polypeptides. Examinons ensuite la structure et les fonctions des protéines.

informations générales

La structure chimique des protéines est représentée par des acides alpha-aminés reliés en chaîne par une liaison peptidique. Chez les organismes vivants, la composition est déterminée par le code génétique. Dans le processus de synthèse, dans la plupart des cas, 20 acides aminés de type standard sont utilisés. Leurs nombreuses combinaisons forment des molécules protéiques aux propriétés très diverses. Les résidus d'acides aminés sont souvent sujets à des modifications post-traductionnelles. Ils peuvent apparaître avant que la protéine ne commence à remplir ses fonctions et pendant son activité dans la cellule. Dans les organismes vivants, plusieurs molécules forment souvent des complexes complexes. Un exemple est l’association photosynthétique.

Objectif des connexions

Les protéines sont considérées comme un élément important de l’alimentation humaine et animale car leur organisme ne peut pas synthétiser tous les acides aminés nécessaires. Certains d’entre eux devraient être accompagnés d’aliments protéinés. Les principales sources de composés sont la viande, les noix, le lait, le poisson et les céréales. Dans une moindre mesure, les protéines sont présentes dans les légumes, les champignons et les baies. Lors de la digestion par les enzymes, les protéines consommées sont décomposées en acides aminés. Ils sont déjà utilisés dans la biosynthèse de leurs propres protéines dans l’organisme ou subissent une dégradation supplémentaire pour obtenir de l’énergie.

Référence historique

La séquence de la structure de la protéine insuline a été déterminée pour la première fois par Frederij Senger. Pour son travail, il reçut le prix Nobel en 1958. Sanger a utilisé la méthode de séquençage. Grâce à la diffraction des rayons X, des structures tridimensionnelles de la myoglobine et de l'hémoglobine ont ensuite été obtenues (à la fin des années 1950). Le travail a été réalisé par John Kendrew et Max Perutz.

Structure des molécules de protéines

Il comprend des polymères linéaires. Ils sont à leur tour constitués de résidus d’acides alpha-aminés, qui sont des monomères. De plus, la structure protéique peut comprendre des composants de nature non acide aminé et des résidus d'acides aminés modifiés. Lors de la désignation des composants, des abréviations à 1 ou 3 lettres sont utilisées. Un composé contenant de deux à plusieurs dizaines de résidus est souvent appelé « polypeptide ». À la suite de l'interaction du groupe alpha-carboxyle d'un acide aminé avec le groupe alpha-amino d'un autre, des liaisons apparaissent (lors de la formation de la structure protéique). Les extrémités C- et N-terminales du composé se distinguent selon le groupe du résidu d'acide aminé qui est libre : -COOH ou -NH 2 . Dans le processus de synthèse protéique sur le ribosome, le premier résidu terminal est généralement un résidu méthionine ; les suivants sont attachés à l'extrémité C-terminale des précédents.

Niveaux d'organisation

Ils ont été proposés par Lindrem-Lang. Bien que cette division soit considérée comme quelque peu dépassée, elle est toujours utilisée. Il a été proposé de distinguer quatre niveaux d'organisation des connexions. La structure primaire d'une molécule protéique est déterminée par le code génétique et les caractéristiques du gène. Des niveaux plus élevés sont caractérisés par la formation lors du repliement des protéines. La structure spatiale d'une protéine est déterminée dans son ensemble par la chaîne d'acides aminés. Il est néanmoins assez labile. Elle peut être influencée facteurs externes. À cet égard, il est plus correct de parler de la conformation du composé la plus favorable et énergétiquement préférable.

Niveau 1

Il est représenté par une séquence de résidus d'acides aminés d'une chaîne polypeptidique. En règle générale, il est décrit à l'aide de notations à une ou trois lettres. La structure primaire des protéines est caractérisée par des combinaisons stables de résidus d'acides aminés. Ils effectuent des tâches spécifiques. De tels « motifs conservateurs » restent préservés au cours de l’évolution des espèces. Ils peuvent souvent être utilisés pour prédire le problème d’une protéine inconnue. Évaluer le degré de similarité (homologie) des chaînes d'acides aminés de divers organismes, il est possible de déterminer la distance évolutive formée entre les taxons qui composent ces organismes. La structure primaire des protéines est déterminée par séquençage ou par le complexe original de son ARNm à l'aide d'une table de codes génétiques.

Commande locale d'un tronçon de chaîne

C'est le prochain niveau d'organisation : la structure secondaire des protéines. Il en existe plusieurs types. L'ordre local d'une partie d'une chaîne polypeptidique est stabilisé par des liaisons hydrogène. Les types les plus populaires sont :

Structure spatiale

La structure tertiaire des protéines comprend des éléments du niveau précédent. Ils se stabilisent différents types interactions. Les liaisons hydrophobes sont de la plus haute importance. La stabilisation implique :

• Interactions covalentes.
• Liaisons ioniques formées entre des groupes latéraux d’acides aminés ayant des charges opposées.
• Interactions hydrogène.
• Liaisons hydrophobes. Au cours du processus d'interaction avec les éléments environnants H 2 O, la protéine se replie de sorte que les groupes d'acides aminés latéraux non polaires sont isolés de la solution aqueuse. Des groupes hydrophiles (polaires) apparaissent à la surface de la molécule.

La structure tertiaire des protéines est déterminée par des méthodes de résonance magnétique (nucléaire), certains types de microscopie et d'autres méthodes.

Principe de pose

Des recherches ont montré qu’il est pratique d’identifier un niveau supplémentaire entre les niveaux 2 et 3. On l'appelle « architecture », « motif de pose ». Elle est déterminée par la position relative des composants de la structure secondaire (brins bêta et hélices alpha) dans les limites d'un globule compact - le domaine protéique. Il peut exister indépendamment ou être inclus dans une protéine plus grande avec d’autres protéines similaires. Il a été établi que les motifs stylistiques sont plutôt conservateurs. On les trouve dans des protéines qui n'ont ni relations évolutives ni fonctionnelles. La définition de l'architecture est la base d'une classification rationnelle (physique).

Organisation du domaine

À position relative Plusieurs chaînes de polypeptides au sein d’un même complexe protéique forment la structure quaternaire des protéines. Les éléments qui le composent sont formés séparément sur les ribosomes. Ce n’est qu’une fois la synthèse terminée que cette structure protéique commence à se former. Il peut contenir des chaînes polypeptidiques différentes ou identiques. La structure quaternaire des protéines est stabilisée grâce aux mêmes interactions qu'au niveau précédent. Certains complexes peuvent comprendre plusieurs dizaines de protéines.

Structure des protéines : tâches de protection

Les polypeptides du cytosquelette, agissant en quelque sorte comme renfort, donnent leur forme à de nombreux organites et participent à son évolution. Les protéines structurelles assurent la protection de l'organisme. Par exemple, le collagène est une telle protéine. Il constitue la base de la substance intercellulaire des tissus conjonctifs. La kératine a également une fonction protectrice. Il constitue la base des cornes, des plumes, des poils et autres dérivés de l'épiderme. Lorsque les protéines se lient aux toxines, une détoxification se produit dans de nombreux cas. C'est ainsi que s'accomplit la tâche de protection chimique du corps. Rôle particulièrement important dans le processus de neutralisation des toxines dans corps humain les enzymes hépatiques jouent. Ils sont capables de décomposer les poisons ou de les transformer sous forme soluble. Cela facilite un transport plus rapide depuis le corps. Les protéines présentes dans le sang et d’autres fluides corporels assurent la défense immunitaire en déclenchant une réponse à la fois aux attaques d’agents pathogènes et aux blessures. Les immunoglobulines (anticorps et composants du système du complément) sont capables de neutraliser les bactéries, les protéines étrangères et les virus.

Mécanisme de régulation

Les molécules de protéines, qui n’agissent ni comme source d’énergie ni comme matériau de construction, contrôlent de nombreux processus intracellulaires. Ainsi, grâce à eux, la traduction, la transcription, le découpage et l'activité d'autres polypeptides sont régulés. Le mécanisme de régulation repose sur l'activité enzymatique ou se manifeste par une liaison spécifique à d'autres molécules. Par exemple, les facteurs de transcription, les polypeptides activateurs et les protéines répresseurs sont capables de contrôler l’intensité de la transcription des gènes. Ce faisant, ils interagissent avec les séquences régulatrices des gènes. Le rôle le plus important dans le contrôle du déroulement des processus intracellulaires est attribué aux protéines phosphatases et aux protéines kinases. Ces enzymes déclenchent ou inhibent l’activité d’autres protéines en y ajoutant ou en supprimant des groupes phosphate.

Tâche de signalisation

Elle est souvent combinée à la fonction de régulation. Cela est dû au fait que de nombreux polypeptides intracellulaires et extracellulaires peuvent transmettre des signaux. Les facteurs de croissance, les cytokines, les hormones et d’autres composés possèdent cette capacité. Les stéroïdes sont transportés par le sang. L'interaction de l'hormone avec le récepteur agit comme un signal qui déclenche la réponse cellulaire. Les stéroïdes contrôlent la teneur en composés du sang et des cellules, la reproduction, la croissance et d'autres processus. Un exemple est l’insuline. Il régule les niveaux de glucose. L'interaction des cellules s'effectue grâce à des composés protéiques signal transmis par la substance intercellulaire.

Transport d'éléments

Les protéines solubles impliquées dans le mouvement des petites molécules ont une grande affinité pour le substrat, qui est présent en concentration accrue. Ils ont également la possibilité de le diffuser facilement dans les zones où son contenu est faible. Un exemple est l’hémoglobine, une protéine de transport. Il déplace l’oxygène des poumons vers d’autres tissus et, de ceux-ci, il transfère le dioxyde de carbone. Certaines protéines membranaires sont également impliquées dans le transport de petites molécules à travers les parois cellulaires, les modifiant ainsi. La couche lipidique du cytoplasme est imperméable. Cela empêche la diffusion de molécules chargées ou polaires. Les connexions de transport membranaire sont généralement divisées en porteurs et en canaux.

Connexions de sauvegarde

Ces protéines forment ce qu'on appelle des réserves. Ils s’accumulent par exemple dans les graines de plantes et les œufs d’animaux. Ces protéines agissent comme une source de réserve de matière et d'énergie. Certains composés sont utilisés par l’organisme comme réservoir d’acides aminés. Ils sont à leur tour des précurseurs de substances actives impliquées dans la régulation du métabolisme.

Récepteurs cellulaires

Ces protéines peuvent être situées directement dans le cytoplasme ou incorporées dans la paroi. Une partie de la connexion reçoit le signal. En règle générale, il s'agit d'une substance chimique et, dans certains cas, d'un effet mécanique (étirement par exemple), de lumière et d'autres stimuli. Au cours du processus d'exposition d'un signal à un certain fragment de la molécule - le récepteur polypeptidique - ses changements conformationnels commencent. Ils provoquent un changement de conformation du reste de la partie qui transmet le stimulus aux autres composants de la cellule. L’envoi d’un signal peut se faire de différentes manières. Certains récepteurs sont capables de catalyser une réaction chimique, tandis que d’autres agissent comme des canaux ioniques qui se ferment ou s’ouvrent sous l’influence d’un stimulus. Certains composés se lient spécifiquement aux molécules messagères au sein de la cellule.

Polypeptides moteurs

Il existe toute une classe de protéines qui assurent le mouvement du corps. Les protéines motrices sont impliquées dans la contraction musculaire, le mouvement cellulaire et l'activité des flagelles et des cils. Grâce à eux, dirigés et transport actif. Les kinésines et les dynéines transportent des molécules le long des microtubules en utilisant l'hydrolyse de l'ATP comme source d'énergie. Ces derniers déplacent les organites et autres éléments vers le centrosome depuis les zones cellulaires périphériques. Les kinésines se déplacent dans la direction opposée. Les dynéines sont également responsables de l'activité des flagelles et des cils.

Les protéines, ou protéines, des organismes vivants sont formées principalement à partir des 20 acides aminés naturels les plus importants à la suite d'une réaction de polycondensation en présence d'enzymes. Les poids moléculaires des protéines varient dans une très large gamme : de 10 000 à 1 000 000 et plus.

Le squelette de la chaîne protéique est constitué de fragments d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques et est entouré de divers nature chimique députés. La liaison peptidique des protéines est stable à 37°C dans un environnement neutre, mais peut être hydrolysée dans un environnement acide ou alcalin. Dans l'organisme, l'hydrolyse des protéines s'effectue sous l'action d'enzymes peptidases et est strictement contrôlée.

DANS protéines naturelles La longueur et la composition de la chaîne varient considérablement, ce qui permet à leurs molécules, même en solution, de prendre diverses formes. conformation.

Conformationles macromolécules protéiques en solution représentent leurs diverses formes spatiales, résultant de rotations de fragments moléculaires individuels autour de liaisons simples et stabilisées grâce à des liaisons intermoléculaires entre groupes séparés une macromolécule donnée ou des molécules de substances trouvées dans la solution environnante.

Les transitions conformationnelles mutuelles s'effectuent principalement sans rompre les liaisons covalentes dans la macromolécule protéique. Lors de la description de la composition et de la conformation d'une protéine, les concepts sont utilisés primaire, secondaire, tertiaire Et structure quaternaire.

Structure primaire est spécifique à une protéine individuelle et est déterminé par la composition et la séquence des résidus d'acides aminés de sa chaîne. En écrivant formules complètes les protéines indiquent l'ordre des résidus d'acides aminés qui se succèdent en utilisant leurs désignations à trois lettres, en commençant par l'extrémité N-terminale de la chaîne. Une idée de la structure primaire de la myoglobine humaine, qui ne contient que 153 résidus d'acides aminés dans la molécule, est donnée par la notation abrégée suivante :

La disposition strictement linéaire de la chaîne polypeptidique est énergétiquement défavorable, car elle élimine pratiquement les interactions entre les différents radicaux des résidus d'acides aminés. À la suite de telles interactions, des liaisons supplémentaires apparaissent qui stabilisent l'une ou l'autre conformation de la chaîne protéique dans l'espace. Cela se produit à travers les interactions suivantes : interaction ion-ion ; liaison hydrogène; hydratation des groupes polaires ; Un pont disulfure; Interactions avec Vander Waals entre substituants non polaires ; interactions hydrophobes,à la suite de quoi les molécules d'eau sont poussées hors de la zone d'interaction des substituants non polaires les uns avec les autres, ainsi que lien donateur-accepteur entre l'ion complexant et les groupes ligands de la protéine (Fig. 21.3).

Structure secondaire des protéines caractérise la forme d'une chaîne polypeptidique, qui peut être hélicoïdale (une structure), plié (B -structure) ou désordonné (Fig. 21.4). Rôle principal dans la formation et le maintien de la structure secondaire

Riz. 21.3. Types d'interactions entre les substituants des résidus d'acides aminés d'une molécule protéique et l'environnement aqueux

Riz. 21.4. Structure secondaire des protéines : UN- une-structure (spirale), b- La structure P (repliée) est constituée de liaisons hydrogène qui se forment entre les groupes du squelette de la chaîne polypeptidique.

La disposition spatiale de la structure a peut être imaginée en imaginant que la chaîne polypeptidique s'enroule autour d'un cylindre et que ses radicaux latéraux sont dirigés vers l'extérieur. Les tours de l'hélice sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre des groupes peptidiques situés sur les tours adjacents de l'hélice. Et bien que l'énergie de ces liaisons soit faible, leur grand nombre entraîne un effet énergétique important, grâce à quoi la structure a est assez stable et rigide.

Plié (structure 3 formée de grand nombre chaînes polypeptidiques allongées parallèles reliées par de nombreuses liaisons hydrogène les unes aux autres. Les radicaux latéraux R sont situés au-dessus et au-dessous du plan tracé à travers la feuille pliée résultante.

La structure désordonnée des fragments protéiques individuels est caractérisée par un manque d’ordre spatial dans leur disposition.

La structure secondaire d'une protéine à réaliser dépend de sa composition en acides aminés, c'est-à-dire de la structure primaire. La plupart des protéines naturelles sont caractérisées par la coexistence dans une molécule de fragments de structures a, p et désordonnées.

La faible force des liaisons hydrogène rend relativement facile la transformation de la structure secondaire sous influence extérieure : changements de température, de composition ou de pH de l'environnement - ou sous influence mécanique. À la suite de la transformation de la structure secondaire de la protéine, ses propriétés natives, c'est-à-dire primaires par nature, changent et, par conséquent, ses fonctions biologiques et physiologiques.

Structure tertiaire des protéines détermine l'emplacement général de sa chaîne polypeptidique dans l'espace. On pense que lors de la formation et de la stabilisation de la structure tertiaire de la molécule protéique un rôle vital appartient à l'interaction de substituants latéraux d'acides aminés, qui sont rapprochés dans l'espace en raison des courbures de la chaîne polypeptidique. Les types de ces interactions ont été présentés sur la Fig. 21.3.

La structure tertiaire d'une molécule protéique résulte de l'auto-organisation de la chaîne polypeptidique en fonction de ses structures primaires et secondaires, ainsi que de la composition de la solution environnante. La force motrice qui plie la chaîne polypeptidique d'une protéine en une formation tridimensionnelle strictement définie est l'interaction des radicaux d'acides aminés entre eux et avec les molécules de la solution environnante. Dans le même temps, dans les solutions aqueuses, les substituants hydrophobes sont poussés dans la molécule de protéine, y formant des zones sèches (« gouttes de graisse »), et les substituants hydrophiles sont orientés vers le côté. Environnement aquatique. À un moment donné, une conformation énergétiquement favorable de la molécule pour l'environnement aqueux est obtenue et cette conformation de la molécule protéique est stabilisée. Dans ce cas, l'entropie de la chaîne polypeptidique diminue, tandis que l'entropie du système dans son ensemble (chaîne polypeptidique + milieu aqueux) reste constante ou augmente. Ainsi, du point de vue de la loi II de la thermodynamique, la stabilisation de la structure tertiaire d'une protéine en milieu aqueux est assurée par la tendance du milieu aqueux de la molécule protéique à passer à un état avec entropie maximale. Une idée de la structure tertiaire des molécules des protéines myoglobine et lysozyme est donnée sur la Fig. 21.5. Sur la figure, le disque ombré dans la molécule de myoglobine est un hème contenant un ligand porphyrine et un cation complexant, Fe 2+. La molécule de lysozyme présente des ponts disulfure SS impliqués dans la stabilisation de la structure tertiaire de cette protéine.

Riz. 21.5. Structures tertiaires : myoglobine (a) et lysozyme (b)

La structure tertiaire d’une protéine, comparée à sa structure secondaire, est encore plus sensible aux influences extérieures. Par conséquent, l’action d’agents oxydants faibles, les changements de solvants, les changements de force ionique, de pH et de température perturbent la structure tertiaire des protéines et, par conséquent, leurs propriétés natives.

Structure quaternaire. Les grosses molécules protéiques d'un poids moléculaire supérieur à 60 000 sont généralement des agrégats constitués de plusieurs chaînes polypeptidiques d'un poids moléculaire relativement faible. De plus, chaque chaîne, préservant sa structure primaire, secondaire et tertiaire caractéristique, agit comme une sous-unité de cet agrégat, qui a plus haut niveau organisation spatiale - structure quaternaire. Un tel agrégat moléculaire représente un tout unique et remplit une fonction biologique qui n'est pas caractéristique des sous-unités individuelles. Par exemple, la molécule d'hémoglobine est constituée de 4 sous-unités et se caractérise par une labilité du complexe avec l'oxygène nettement plus grande que ses sous-unités individuelles, ce qui se manifeste dans les propriétés de la myoglobine (section 10.4). La structure quaternaire d'une protéine est fixée principalement par des liaisons hydrogène et des interactions de Van der Waals, et parfois par des liaisons disulfure, entre les chaînes polypeptidiques jointes. Le poids moléculaire des protéines à structure quaternaire peut atteindre plusieurs dizaines de millions. La structure quaternaire des protéines est sensible aux influences extérieures et peut être perturbée par celles-ci.

La forme des molécules de protéines. En fonction de la forme de la molécule, les protéines natives, c'est-à-dire celles présentant des propriétés biologiques programmées par la nature, sont divisées en fibrillaire Et globulaire. Les molécules de protéines fibrillaires ont généralement une structure B et une structure fibreuse ; ils ne se dissolvent pas dans l'eau, car à leur surface se trouvent de nombreux radicaux hydrophobes. Les protéines fibrillaires sont des fibrones protéiques ; kératine des cheveux, de la peau, des ongles ; collagène des tendons et du tissu osseux ; myosine du tissu musculaire.

Les protéines globulaires ont une forme cylindrique ou sphérique et une taille de 10 -9 -10 -7 m. Elles sont généralement solubles dans l'eau, car leur surface contient principalement des groupes polaires. En se dissolvant dans l'eau, les protéines globulaires forment des solutions colloïdales lyophiles (section 27.3). Exemples de protéines globulaires : albumine ( blanc d'oeuf), la myoglobine, presque toutes les enzymes.

État des cristaux liquides. Les molécules de protéines sont des formations assez grandes et ont une structure spatiale fixe, qui peut être anisotrope dans son ensemble, ou des fragments individuels de la chaîne peptidique peuvent être anisotropes. Par conséquent, de nombreuses protéines sont caractérisées par un état cristallin liquide dans une certaine plage de température (état cristallin liquide thermotrope) ou par la formation d'un ou plusieurs états cristallins liquides lyotropes avec la participation d'un milieu aqueux à une certaine concentration de substances en solution. La formation d'un état cristallin liquide ou les transitions d'un état cristallin liquide à un autre, accompagnées d'un changement dans l'orientation des fragments individuels d'une molécule protéique ou d'un changement dans la consistance du mouvement dans le système, ne nécessitent pas de dépenses énergétiques importantes, mais peut conduire à un changement de son fonctions biologiques. Par exemple, affecter la fonction contractile de la myosine des fibres musculaires, l'activité enzymatique, la fonction de transport des protéines ou leurs propriétés protectrices par rapport à systèmes colloïdaux. Ainsi, dans certaines conditions, les molécules d'hémoglobine se transforment en un état cristallin liquide. Cela conduit à un certain nombre de troubles pathologiques, se manifestant par une perte d'élasticité des globules rouges. En conséquence, ils obstruent les capillaires et le transport de l’oxygène est perturbé. La formation de calculs dans les systèmes urinaire ou biliaire est associée à un changement non seulement de concentration, mais aussi d'état protéines protectrices dans ces systèmes. Jusqu'à récemment, la capacité des protéines et de leurs solutions à se transformer en un état cristallin liquide n'était pratiquement pas prise en compte en biologie, biochimie et médecine, malgré l'extrême importance de ces propriétés du point de vue de l'activité vitale de tout système vivant.

Dénaturation. La structure spatiale des protéines, comme déjà indiqué, peut être perturbée sous l'influence d'un certain nombre de facteurs : augmentation de la température, modifications du pH et de la force ionique du milieu, irradiation UV et radiographies, la présence de substances capables de déshydrater une molécule protéique (éthanol, acétone, urée) ou d'interagir avec ses substituants (agents oxydants, agents réducteurs, formaldéhyde, phénol) et même avec une forte agitation mécanique des solutions.

La dénaturation est la destruction de la conformation naturelle (native) d'une macromolécule protéique sous une influence externe.

Lors de la dénaturation, les structures quaternaires, tertiaires et secondaires sont détruites, mais la structure primaire de la protéine est préservée. La dénaturation peut donc être réversible (dénaturation - renaturation) et irréversible selon la nature de la protéine et l'intensité de l'influence extérieure. Une dénaturation irréversible se produit généralement lorsqu'elle est exposée à la chaleur (par exemple, la coagulation de l'albumine d'œuf lors de la cuisson des œufs). Les protéines globulaires dénaturées ont une affinité diminuée pour l’eau, puisque de nombreux radicaux hydrophobes apparaissent à la surface des molécules. Leur solubilité diminue donc et des flocons ou sédiments apparaissent. L'essentiel est que lors de la dénaturation, l'activité biologique des protéines globulaires et fibrillaires est perdue, ce qui est observé avec de nombreuses méthodes d'isolement (Section 11.3). Pour éviter la dénaturation de la protéine et préserver sa conformation native pendant le processus d'isolement, toutes les opérations sont effectuées dans des conditions douces à une température ne dépassant pas 5°C, évitant ainsi les effets agressifs des réactifs chimiques.

Propriétés de surface des protéines. Les molécules de protéines contiennent différents acides aminés, qui possèdent des radicaux hydrophobes à base d'hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, et des radicaux hydrophiles, dont un groupe peptidique. Ces radicaux sont répartis tout au long de la chaîne et la plupart des protéines sont donc des tensioactifs (Section 26.6). Une caractéristique des tensioactifs protéiques est la présence dans leurs molécules de fragments avec un équilibre hydrophile-lipophile très différent, ce qui en fait des stabilisants efficaces pour les systèmes dispersés lyophobes, des émulsifiants de graisses et de cholestérol et des composants actifs des membranes biologiques.

En raison de leurs propriétés tensioactives, certaines protéines forment des micelles lyophiles (section 27.3) avec des lipides (dont le cholestérol et ses esters), appelées lipoprotéines. Dans les lipoprotéines, il n'y a pas de liaisons covalentes entre les molécules protéiques et lipidiques, mais seulement des interactions intermoléculaires. Surface externe la micelle de lipoprotéines est constituée de fragments hydrophiles de protéines et de molécules phospholipidiques, et ses partie intérieure(noyau) est un environnement hydrophobe dans lequel les graisses, le cholestérol et ses esters sont dissous (Fig. 21.6). La présence d’une enveloppe externe hydrophile dans les lipoprotéines rend ces micelles riches en lipides « solubles » dans l’eau et bien adaptées au transport des graisses de l’intestin grêle vers les dépôts graisseux et divers tissus. Le diamètre des micelles lipoprotéiques varie de 7 à 1 000 nm.

En fonction de la densité, de la taille des micelles et du rapport protéines/lipides qu'elles contiennent, les lipoprotéines sont divisées en 4 classes (tableau 21.2).

Riz. 21.6. Micelle de lipoprotéines

Le rôle des chylomicrons et des lipoprotéines de très basse densité est le transport des graisses et leur hydrolyse sous l'action de la lipoprotéine lipase. Au fur et à mesure que les graisses sont décomposées, la transformation suivante se produit :

Les lipoprotéines P transportent principalement le cholestérol dans les cellules, tandis que les lipoprotéines a éliminent l'excès de cholestérol des cellules.

Lors de l'étude de la composition lipoprotéique du sérum sanguin, il a été constaté que plus d'attitude B-lipoprotéines/a-lipoprotéines, plus le risque de dépôts abondants de cholestérol sur surface intérieure vaisseaux sanguins, c'est-à-dire l'athérosclérose. L'athérosclérose contribue au développement d'un accident vasculaire cérébral ou d'un infarctus du myocarde en limitant le flux sanguin dans les vaisseaux rétrécis du cerveau ou du cœur.

Les propriétés de surface des protéines, caractérisant leur capacité à interagir intermoléculairement, sont à la base de l'interaction d'une enzyme avec un substrat (Section 5.6), d'un anticorps avec un antigène, et expliquent diverses interactions, appelées complémentarité spécifique en biologie (la « clé et le verrou » théorie). Dans tous ces cas, il existe une stricte correspondance entre la structure de surface et les propriétés des particules en interaction, qui garantissent la haute efficacité de divers types d'interactions intermoléculaires entre elles (Fig. 21.3). En biologie, cela se reflète souvent de manière simplifiée en utilisant une correspondance graphique des formes et des tailles des particules en interaction (Fig. 21.7).

Propriétés informationnelles des protéines. Les molécules de protéines et leurs fragments individuels sont considérés comme porteurs de substances biologiques.

Riz. 21.7. Interprétation graphique de la correspondance des interactions intermoléculaires entre particules protéiques décrites par complémentarité spécifique ou théorie "key and lock"

informations dans lesquelles le rôle des lettres de l'alphabet est joué par 20 résidus d'acides aminés. La lecture de ces informations repose sur différents types d’interactions intermoléculaires et sur la volonté du système de les utiliser efficacement. Par exemple, dans les enzymes proches du centre actif, une partie de la molécule protéique contient certains résidus d'acides aminés dont les substituants sont orientés dans l'espace de manière à permettre la reconnaissance d'un substrat strictement défini avec lequel cette enzyme réagit. L'interaction se déroule de la même manière anticorps- antigène ou la synthèse de l'anticorps correspondant à l'antigène émergent se produit dans le corps. Les propriétés informationnelles des protéines sont à la base de l'immunité, qui est un système intégral mécanismes biologiques l'autodéfense du corps, qui repose sur des processus informationnels de reconnaissance d'« ami » et d'« étranger ». Le « langage des acides aminés », contenant 20 unités, est l'un des moyens les plus optimaux et les plus fiables de coder des informations importantes pour le fonctionnement des systèmes vivants, notamment des informations sur la forme des organes individuels et de l'organisme dans son ensemble.

Propriétés acido-basiques. Les protéines, comme les acides aminés (Section 8.2), sont des polyampholytes, présentant des propriétés acides dues aux groupes carboxyle non ionisés -COOH, aux groupes ammonium des groupes thiol -SH, ainsi qu'au n-hydroxy-.

groupes phényle Les protéines présentent leurs principales propriétés grâce aux groupes - COO-, aux groupes amino - NH 2, ainsi qu'aux substituants imidazole -C 3 H 3 N 2 et guanidine - (CH 5 N 3) +. Dans les solutions aqueuses, selon le pH du milieu, les protéines peuvent être présentes à pH = pI de la protéine sous une forme moléculaire, c'est-à-dire neutre, ayant une structure ionique bipolaire, à pH< рI белка появля­ется катионная форма, и при рН >Le pI de la protéine apparaît sous forme anionique, principalement en raison de l'ionisation des substituants (-RH).

Dans un environnement fortement acide, le groupe carboxyle ionisé de la protéine est protoné et dans un environnement fortement alcalin, le groupe ammonium terminal est déprotoné. Cependant, dans les milieux biologiques, qui ne sont pas caractérisés par des valeurs de pH aussi extrêmes, de telles transformations avec des molécules protéiques ne se produisent pas. Les transformations acide-base dans les molécules protéiques s'accompagnent naturellement d'un changement dans leur conformation et, par conséquent, les fonctions biologiques et physiologiques d'un cation ou d'un anion protéique différeront non seulement les unes des autres, mais également des fonctions de leurs molécules.

Selon la composition en acides aminés, les protéines sont divisées en « neutres » (pI = 5,0 - 7,0), « acides » (pI< 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI >7.5) (tableau 21.3). Les protéines acides ont une teneur élevée en acides aspartique ou glutamique, tandis que les protéines « basiques » ont une teneur élevée en arginine, lysine ou histidine. Les systèmes tampons protéiques fonctionnent dans le corps sur la base des protéines (Section 8.4).

La différence dans les propriétés acido-basiques des protéines est à la base de la séparation et de l'analyse des mélanges de protéines par électrophorèse et chromatographie par échange d'ions. Dans un champ électrique constant, les protéines ont une mobilité électrophorétique et la direction de leur mouvement vers la cathode ou l'anode dépend de la valeur du pH de la solution et du pI de la protéine. Au pH< рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При рН >La protéine pI se déplace vers l'anode car elle est partiellement sous forme d'anion. A pH = pI, la protéine est entièrement sous forme moléculaire et sous l'influence champ électrique ne bouge pas. La mobilité électrophorétique d'un ion protéique dépend de sa taille et de sa charge, ainsi que du pH de la solution. Plus la différence entre le pH de la solution et le pH de la protéine est grande, plus la mobilité ionique est grande. L'analyse des protéines par électrophorèse est largement utilisée en biochimie clinique pour le diagnostic des maladies.

Propriétés complexantes. Les protéines sont des ligands polydentés actifs (section 10.1), contenant notamment des groupes fonctionnels mous : thiol, imidazole, guanidine, groupe amino :

En raison de la présence de divers groupes fonctionnels dans les molécules protéiques, elles forment des composés complexes de stabilité variable en fonction de la polarisabilité de l'ion complexant. Avec les cations K + et Na + faiblement polarisables (durs), les protéines forment des complexes peu stables qui, dans le corps, agissent comme des ionophores pour les cations ou des activateurs de protéines comme substrats pour certains processus biochimiques. Avec des cations moins rigides Mg 2+ ou Ca 2+, les protéines forment des complexes assez forts. Avec les cations des métaux D : fer, cuivre, manganèse, zinc, cobalt, molybdène (« métaux de la vie »), suffisamment polarisables, c'est-à-dire mous, les protéines forment des complexes forts. Cependant, ils forment des complexes particulièrement forts avec des cations de métaux toxiques : le plomb, le cadmium, le mercure et d'autres qui présentent une polarisabilité élevée, c'est-à-dire qui sont très mous. Les complexes stables de protéines avec des cations métalliques sont souvent appelés métalloprotéines.

De nombreuses enzymes sont des complexes chélatés d’une protéine avec un cation d’un « métal de la vie ». Dans ce cas, c’est le cation complexant qui, sous l’influence du ligand protéique, est centre actif enzyme, et un fragment d'une molécule protéique proche de ce centre sert généralement d'identification et d'activateur du substrat. Le composant protéique de la métalloenzyme est souvent appelé apoenzyme.

Toutes les protéines, lorsqu'elles sont traitées avec des sels de cuivre dans un environnement alcalin, forment un complexe chélaté de couleur violette, qui est une réaction qualitative aux protéines appelées réaction du biuret :

Cette réaction se produit par déprotonation des groupes peptidiques de la protéine, qui est facilitée par l'environnement alcalin et la présence d'un ion complexant dans celui-ci.

Réactions électrophiles-nucléophiles. Ces réactions incluent principalement l'hydrolyse des protéines - la principale voie de leur catabolisme (dégradation) dans l'organisme. Lors de l'hydrolyse des protéines, le réactif - une molécule d'eau - agit à la fois comme nucléophile grâce à OH" et comme électrophile grâce à H +. La particule nucléophile OH" attaque le centre électrophile de la liaison peptidique, c'est-à-dire l'atome de carbone de la groupe carbonyle, et le centre nucléophile de cette liaison - l'atome d'azote - attaqué par un électrophile - un proton. À la suite de l'attaque des molécules d'eau, les liaisons peptidiques dans les protéines sont rompues, des acides osaminés et des peptides se forment d'abord, et les produits finaux sont des acides os-aminés.

La dégradation hydrolytique des protéines se produit dans n'importe quelle cellule du corps, plus précisément dans ses liposomes, où sont concentrées les enzymes hydrolytiques. L'hydrolyse des protéines peut être partielle (pour les peptides) et complète (pour les acides aminés). L'hydrolyse partielle s'accélère les protéinases, qui favorisent la formation de peptides. Les peptides résultants sont hydrolysés en acides aminés avec la participation peptidase. Dans l'organisme, l'hydrolyse des protéines est réalisée principalement par tout un ensemble d'enzymes dont chacune brise la liaison peptidique formée par certains acides aminés. Donc, carboxypeptidase coupe spécifiquement l'acide aminé C-terminal des protéines, trypsine hydrolyse la liaison peptidique entre les acides aminés avec un substituant non polaire (hydrophobe). Chymotrypsine coupe la liaison peptidique formée par la phénylalanine, la tyrosine, le tryptophane avec d'autres acides aminés. Dans le corps, les protéines alimentaires sont complètement décomposées, car ce sont principalement les acides aminés libres qui sont utilisés tout au long de la vie.

Dans des conditions de laboratoire, les protéines sont hydrolysées dans des environnements acides et alcalins. Cependant, l'hydrolyse alcaline n'est pratiquement pas utilisée en raison de l'instabilité de nombreux acides osaminiques dans ces conditions. Généralement, l'hydrolyse complète est réalisée en chauffant la protéine à 110 °C dans une ampoule scellée avec 20 % de HCl pendant 24 heures. Dans ces conditions, l'hydrolyse des protéines se poursuit jusqu'à son terme, mais le tryptophane résultant est complètement décomposé. On privilégie donc l'hydrolyse enzymatique.

Les protéines corporelles contenant des acides aspartique et glutamique peuvent agir comme un accepteur d'ammoniac qui, en tant que nucléophile, réagit sur les groupes carboxyles libres du substituant, c'est-à-dire réaction d'amidation des protéines :

La réaction d'amidation est endergonique, elle est donc associée dans l'organisme à la réaction d'hydrolyse de l'ATP.

À la suite de cette réaction, la protéine perd ses propriétés natives car elle est dénaturée de manière irréversible.

Réactifs électrophiles actifs (EX) : 2,4-dinitrofluorobenzène, isothiocyanate de phényle ou chlorure de dansyle - utilisé pour déterminer la structure primaire des protéines ou des peptides. En présence de bases, elles réagissent au niveau de l'acide aminé N-terminal de l'anion protéique et favorisent son élimination sous forme du dérivé correspondant E-NH-CRH-COOH, facilement identifiable soit par chromatographie, soit par spectre :

La partie restante de la protéine n'est pas détruite et les opérations d'élimination de l'acide aminé suivant peuvent être répétées. Ces réactions sont à la base du fonctionnement d’un analyseur automatique de structure primaire de protéines. Typiquement, la protéine à analyser est d'abord soumise à une hydrolyse partielle pour produire plusieurs peptides. Les peptides résultants sont séparés, purifiés et la séquence d'acides aminés de chacun est déterminée, puis la structure primaire de la protéine analysée est compilée.

Propriétés rédox. Les protéines sont relativement résistantes à une légère oxydation, à l'exception de celles contenant l'acide aminé cystéine, car le groupe thiol de cette dernière s'oxyde facilement en un groupe disulfure, et le processus peut être réversible :

À la suite de ces transformations, il se produit un changement dans la conformation de la protéine et dans ses propriétés natives. Par conséquent, les protéines contenant du soufre sont sensibles à l’oxydation ou à la réduction des radicaux libres, qui se produisent lorsque le corps est exposé à des radiations ou à des formes toxiques d’oxygène (section 9.3.9).

Les transformations thiol-disulfure de la protéine kératinique sont à la base de la permanente chimique, puisque la cystéine et la cystine entrent dans sa composition. Tout d'abord, les cheveux sont traités avec un agent réducteur pour briser les liaisons -S-S- de la cystine et les convertir en groupes cystéine thiol. Ensuite, les cheveux sont coiffés en boucles (bouclés) et traités avec un agent oxydant. Dans ce cas, des liaisons disulfure de cystine se forment, ce qui aide les cheveux à conserver leur nouvelle forme.

Avec une oxydation plus sévère, le groupe thiol des protéines est oxydé en un groupe sulfo de manière presque irréversible :

L'oxydation dure des protéines en CO2, H2O et sels d'ammonium est utilisée par l'organisme pour éliminer les protéines inutiles et reconstituer ses ressources énergétiques (16,5 - 17,2 kJ/g).

Dans l'organisme, les protéines contenant des résidus lysine, proline, phénylalanine et tryptophane subissent une hydroxylation enzymatique (oxydation de la monooxygénase) avec la participation d'oxygène et d'une forme réduite de coenzyme :

À la suite de la réaction d'hydroxylation, les propriétés hydrophiles de la protéine et sa capacité à former des liaisons hydrogène sont améliorées. Cela se produit dans le tropocollagène, dans lequel trois chaînes sont combinées en une superhélice stable grâce aux liaisons hydrogène, à la formation de laquelle participent également les résidus hydroxyproline.

Une réaction similaire se produit dans la molécule de tropocollagène, ce qui conduit à une « réticulation » encore plus forte de ses chaînes peptidiques.

Désamination oxydative des protéines sous l'influence de la ninhydrine, accompagnée de la formation d'une couleur bleue - une réaction qualitative caractéristique aux protéines - réaction à la ninhydrine(voir paragraphe 21.2.4).

Pour détecter les protéines contenant des acides aminés aromatiques et hétérocycliques, il est utilisé réaction xanthoprotéique, qui, lorsqu'elle est exposée à de l'acide nitrique concentré, s'accompagne de l'apparition d'une couleur jaune, qui vire à l'orange lors de l'ajout d'alcali ou d'ammoniaque :

C'est à la suite de la réaction des xanthoprotéines qu'on observe une coloration jaune de la peau au contact du concentré. acide nitrique.

Ainsi, les protéines sont caractérisées par : une certaine conformation, un état cristallin liquide, des propriétés tensioactives et informationnelles, ainsi que les quatre types de réactions chimiques : acido-basique, complexante, électrophile-nucléophile et redox, qui sont à la base de l'activité vitale de tout système vivant. La combinaison de toutes ces propriétés explique le caractère unique des protéines pour l’ensemble du monde vivant.