Les protéines sont des macromolécules composées d’une chaîne polymère d’acides alpha-aminés reliés entre eux par une liaison peptidique. Un acide aminé est un acide carboxylique qui possède un groupe amine sur son carbone alpha (celui qui porte le groupe -C(=O)OH). Une liaison peptidique est une liaison covalente qui s’établit entre l’atome de carbone du groupe carboxyle d’un acide aminé et l’atome d’azote du groupe amine d’un autre acide aminé. La réaction chimique qui conduit à établir une liaison peptidique est une réaction de condensation : elle produit une molécule H₂O.

On appelle résidu la partie d’un acide aminé qui demeure inchangée après la formation d’une protéine et qui en constitue un monomère.

On appelle aussi peptide une molécule formée de plusieurs acides aminés. De manière arbitraire, on considère qu’un peptide ne comporte qu’une centaine d’acides aminés au maximum. Les protéines quant à elles peuvent en comporter plusieurs centaines, voire plusieurs milliers. On peut donc les décrire comme étant des macromolécules chaînant de nombreux peptides, des polypeptides, voire, le cas échéant, comme un assemblage de plusieurs polypeptides reliés entre eux par des ponts disulfure.

Forme et fonction

La description que nous venons de donner pourrait laisser penser que les protéines forment de longs filaments - ou plutôt de longues hélices car la liaison peptidique conduit les peptides à adopter une configuration hélicoïdale - qui s’étirent et flottent dans le milieu aqueux des cellules. Ce n’est pas du tout le cas. La liaison peptidique qui s’établit entre le groupe carboxyle et le groupe amine de deux acides aminés ne neutralise pas les autres propriétés réactives de leur résidu. Or, il existe une grande variété d’acides aminés, dont certains sont porteurs de groupes électrophiles ou nucléophiles, polarisés ou non polarisés, de fonction alcool ou encore de fragments fortement hydrophobes (riches en atomes de carbone et en atomes d’hydrogène).

Ces groupes ou fragments peuvent établir d’autres liaisons chimiques entre eux : liaisons ioniques entre résidus acides (électrophiles) et basiques (nucléophiles), pont hydrogène entre groupes polarisés (essentiellement des groupes -OH ou -SH), forces de Van der Waals entre fragments hydrophobes, voire même ponts disulfure R-S-S-R’. Toutes ces liaisons (sauf les ponts disulfure) sont des liaisons plus faibles que la liaison covalente mais elles sont suffisantes pour conduire les protéines à se replier sur elles-mêmes pour adopter une configuration beaucoup plus complexe que les biochimistes qualifient d'organisation globulaire en 3 dimensions. Cette organisation ne doit rien au hasard : il ne s'agit en aucune façon d'une pelote qui se serait formée de façon aléatoire. Le repliement des protéines est un processus qui est parfaitement contrôlé lors de la synthèse de celles-ci à partir de l’ARN messager.

Cet assemblage globulaire forme un volume dont la surface présente des saillies et des crevasses. Ces sites (et la nature des acides aminés qui les occupent : acide/basique, électrophile/nucléophile, hydrophobe/hydrophile...) permettent à d’autres molécules (ligands) de s’arrimer à la protéine (on parle de receptor binding domain, RBD). Ce sont ces possibilités d’arrimage qui vont déterminer la fonctionnalité de la protéine.

Remarque : cette structure très ordonnée est en général la structure thermodynamiquement la plus stable.

Enzymes

Les enzymes sont des protéines, ou des assemblages protéiques qui jouent un rôle de catalyseur dans les réactions chimiques intervenant dans le métabolisme. Chaque enzyme possède un site spécifique qui lui permet de s’associer à une molécule ou un complexe donné. Cette association permettra d’accélérer une réaction qui fait intervenir cette molécule ou ce complexe. L’activité de l’enzyme peut nécessiter la présence d’une autre chaîne organique non protéique appelée coenzyme. Une fois que la réaction souhaitée s’est déroulée, l’enzyme se détache du nouveau composé ainsi formé.

Remarque : l’action d’une enzyme peut être inhibée lorsqu’un ligand autre que le réactif souhaité occupe le site actif de l’enzyme.

Acides aminés

Revenons aux acides aminés. La totalité des protéines intervenant dans le domaine du vivant ne fait intervenir que 22 acides aminés différents, appelés acides aminés protéinogènes.

Remarque : les acides aminés intervenant dans la chimie de l’être humain sont au nombre de 21.

Comme nous l’avons vu plus haut, les résidus des différents acides aminés ont une réactivité qui leur est propre. Certains sont acides (acide aspartique, acide glutamique) et d’autres basiques (lysine, arginine, histidine). Certains sont polaires, avec un groupement alcool, amide, phénol ou thiol. Parmi ceux-ci, l’asparagine et la glutamine (amides) sont hydrophiles et les autres hydrophobes. D’autres acides aminés sont apolaires et donc tous hydrophobes. La méthionine par exemple est apolaire, hydrophobe et soufrée. On classe les acides aminés protéinogènes en fonction de leur réactivité chimique :

Chaîne latérale polaire électriquement neutre

• Q Glutamine (Gln)
• N Asparagine (Asn)
• S Sérine (Ser)
• T Thréonine (Thr)

Chaîne latérale chargée positivement

• H Histidine (His)
• K Lysine (Lys)
• R Arginine (Arg)

Chaîne latérale chargée positivement

• E Glutamic acid (Glu)
• D Aspartic acid (Asp)

Chaîne latérale hydrophobe

• A Alanine (Ala)
• V Valine (Val)
• L Leucine (Leu)
• I Isoleucine (Ile)
• M Méthionine (Met)
• F Phénylalanine (Phe)
• Y Tyrosine (Tyr)
• W Tryprophan (Trp)

Divers

• G Glycine (Gly)
• P Proline (Pro)
• C Cystéine (Cys)
• U Sélénocystéine (Sec)

Le 22ème acide aminé protéinogène est la Pyrrolysine (O - Pyl) que l'on ne trouve que dans les archées méthanogènes.

Les acides aminés protéinogènes peuvent subir une modification post-traductionnelle sous l'effet d'une enzyme. Cette modification peut consister en l'addition d'un droupe fonctionnel (acétylation, alkylation, glycosylation, phosphorylation...) ou d'un groupe peptidique, ou encore en un changement de nature chimique (conversion de la glutamine en acide glutamique par exemple). Ceci conduit à une variété bien plus grande d'acides aminés au sein des organismes vivants. On appelle glycoprotéines les protéines associées à des polysaccharides par glycosylation. Les lipoprotéines sont des protéines associées à des acides gras. Les lipoprotéines sont connues du grand public au travers de l’analyse du LDL et du HDL (low density et high density lipoprotein). LDL et HDL sont deux composantes du cholestérol.

Les organismes dits autotrophes synthétisent tous les acides aminés dont ils ont besoin à partir de la matière minérale. Les organismes hétérotrophes n’ont pas cette capacité et doivent ingérer certains acides aminés. Dans le cas de l’être humain, ces acides aminés non synthétisés par le corps humain sont au nombre de 9. Ils sont appelés acides aminés essentiels.

Gènes et codons

Les protéines jouent un rôle essentiel dans le métabolisme des cellules et dans la chimie du vivant en général. Elles sont synthétisées dans les cellules à partir des acides aminés présents et d’une nomenclature portée par d’autres molécules, les molécules d’ARN messager. Chaque molécule d’ARNm est en effet constituée d’une chaîne de codons. Chaque codon est composé de trois nucléotides. Comme les molécules d’ARN ne peuvent comporter que quatre sortes de nucléotides différents (adénine, uracile, guanine et cytosine), ces codons constituent une sorte de mot de trois lettres qui référence à un acide aminé donné. Ainsi, le codon AUC référence l’isoleucine, le codon AAU l’asparagine et le GCU l’alanine.

Deux codons peuvent référencer un même acide aminé. L’alanine par exemple est référencée par les codons GCU, GCA, GCG et GCC. Il y a donc une certaine redondance puisque le codage permet 64 combinaisons possibles. La correspondance entre codons et acides aminés est la même pour tous les organismes vivants, qu'il s'agisse de bactéries, d'archées, de cellules végétales ou animales. Le codon GCA fait toujours référence à l'alanine, qu'il apparaisse dans l'ADN d'une bactérie, d'une levure, d'une mouche, d'une fleur ou d'un hippopotame !

Remarque : cette universalité du code protéique ne s'applique pas aux mitochondries, des organites internes aux cellules qui ont leur propre code génétique. Et ce code diffère entre différentes familles : entre vertébrés et invertébrés par exemple.

Les ARN messagers sont synthétisés « en continu » à partir des gènes qui composent l’ADN de la cellule. Les gènes sont également constitués par une succession de codons, les nucléotides uracile étant remplacés par des nucléotides thymine. Les molécules d’ARNm sont transcrites à partir de la molécule d’ADN grâce à l’action d’une enzyme, l’ARN polymérase.

Dénaturation des protéines

La fonctionnalité d’une protéine est liée, comme on l’a vu, à sa forme. Cette forme est déterminée par des liaisons chimiques qui sont, pour l’essentiel, des liaisons faibles. Lorsqu’on chauffe une protéine, les liaisons chimiques qui maintiennent la cohérence de la pelote formée par la protéine sont brisées en raison de l’agitation thermique. La pelote se débobine.

C’est le cas lorsqu’on fait cuire un œuf sur le plat. Le « blanc d’œuf », qui est initialement transparent, commence à se troubler, puis il blanchit et se fige. Que se passe-t-il ? Le blanc d’œuf contient de nombreuses protéines dans leur état d’origine, sous forme globulaire. Sous l’effet de la chaleur, les pelotes se débobinent. Les longues chaînes d’acides aminés s’entremêlent de manière inextricable. De nouvelles liaisons se forment, mais cette fois complètement au hasard, entre différentes protéines et non plus au sein d’une même protéine. En particulier, les portions de résidus hydrophobes qui craignent plus que tout la proximité d’un milieu aqueux se lient entre elles. Il en résulte un enchevêtrement de toutes ces chaînes qui se fige. En effet, autant il est facile de desserrer les liens entre résidus d’acides aminés d’une même pelote pour la dérouler, autant desserrer les liens tissés au hasard entre une multitude de chaines emmêlées relève de la gageure.

Les protéines du blanc d’œuf sont prisonnières du réseau en trois dimensions qu’elles ont tissé ensemble. Dans cet état, elles sont dénaturées. Elles sont dénaturées parce que leur fonction biologique était liée à la forme particulière de la pelote qui s’était formée lors de la traduction de l’ARN messager en protéine sur l’un des ribosomes d’une cellule. Dans l’état dans lequel elles se trouvent désormais, elles perdent entièrement leur fonctionnalité. D’une manière très générale, ce processus de dénaturation survient chaque fois que l’on expose les protéines à la chaleur.

Chaque fois ?

Protéines et organismes thermophiles

Quid des organismes thermophiles ? Certains organismes sont capables de survivre et de se multiplier à une température élevée, plus de 100 degrés pour les hyperthermophiles. Or, ces organismes fonctionnent eux-aussi avec des protéines basées sur les mêmes acides aminés. Par quel miracle ces protéines sont elles préservées à haute température ?

La réponse tient dans l’arrangement des liaisons chimiques qui assurent le repliement des protéines. Il s’agit toujours de liaisons ioniques et de liaisons faibles (même s’il y a également un nombre plus important de ponts disulfure) mais elles sont arrangées autrement. D’une part, les liaisons hydrophobes (forces de Van der Waals entre fragments riches en carbone et en hydrogène) s’avèrent être plus nombreuses. D’autre part, on constate la présence à la surface de la pelote de nombreuses terminaisons acides ou basiques. Ces terminaisons entretiennent entre elles des liaisons ioniques et elles forment une sorte de cage électrostatique suffisamment robuste pour maintenir la cohésion de la pelote.