chapitre 5 Structure et fonction des molécules organiques complexes 93
Parmi les autres agents de dénaturation figurent les substances
chimiques qui brisent les liaisons hydrogène, les liaisons
ioniques et les ponts disulfure, dont dépend la forme d’une
protéine. La dénaturation peut également résulter d’une chaleur excessive ; celle-ci agite les chaînes polypeptidiques suffisamment pour vaincre les interactions faibles qui stabilisent
la structure d’une protéine. Ainsi, le blanc d’œuf devient
opaque pendant la cuisson, car les protéines qui le composent
sont dénaturées par la chaleur : elles deviennent insolubles et
coagulent. Ce facteur explique également pourquoi une très
forte fièvre peut être fatale : les températures élevées dénaturent
les protéines du sang.
Une protéine dénaturée dans une éprouvette, que ce soit
par des produits chimiques ou par la chaleur, peut parfois
reprendre sa forme fonctionnelle quand l’agent dénaturant disparaît. On peut en conclure que l’information conduisant à
l’adoption d’une forme spécifique est liée à la structure primaire. C’est donc la séquence des acides aminés qui détermine la forme d’une protéine, c’est-à-dire les endroits où se
formeront des hélices a, des feuillets plissés b, des ponts
disulfure, des liaisons ioniques, etc. Mais comment le repliement d’une protéine se produit-il dans la cellule ?
Le repliement des protéines dans la cellule
Les biochimistes connaissent maintenant la séquence des
acides aminés de plus de 10 millions de protéines et la forme
tridimensionnelle de plus de 20 000 protéines. Les chercheurs
ont essayé d’établir une corrélation entre la structure primaire
de nombreuses protéines et la structure tridimensionnelle
afin de déterminer les règles régissant le repliement de ces
macromolécules. Malheureusement, le processus n’est pas
aussi simple. La plupart des protéines passent probablement
par plusieurs étapes intermédiaires avant d’adopter une forme
stable. L’étude de cette structure ne révèle pas ces étapes.
Cependant, les biochimistes ont élaboré des méthodes pour
suivre les étapes intermédiaires de la formation d’une protéine.
Les chaperonines (aussi appelées chaperons moléculaires)
sont des molécules protéiques qui favorisent le repliement
adéquat des autres protéines (figure 5.23). Les chaperonines
ne dictent pas la structure finale d’un polypeptide ; elles
empêchent plutôt le nouveau polypeptide de céder, pendant
son repliement spontané, aux « mauvaises influences » qui se
manifestent dans l’environnement cytoplasmique. La bactérie E. coli abrite une chaperonine illustrée à la figure 5.23 ; il
s’agit d’une multiprotéine complexe ressemblant à un cylindre
creux dont la cavité sert d’abri à différents polypeptides en
processus de repliement. Par ailleurs, au cours de la dernière
décennie, les chercheurs ont découvert des systèmes moléculaires qui interagissent avec les chaperonines et vérifient
qu’un repliement correct a eu lieu. Ces systèmes replient
correctement les protéines mal repliées ou les marquent afin
qu’elles soient détruites.
Le mauvais repliement des polypeptides constitue un
problème sérieux dans les cellules. De nombreuses maladies
comme la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et
l’encéphalopathie spongiforme bovine (maladie de la vache
folle) sont associées à une accumulation de protéines anormalement repliées. En fait, des versions mal repliées de la
transthyrétine, la protéine représentée à la figure 5.20, ont
été mises en cause dans plusieurs maladies, dont une forme
de démence sénile.
Même lorsqu’ils sont en présence d’une protéine repliée
correctement, il n’est pas facile pour les scientifiques de déterminer sa structure tridimensionnelle exacte, étant donné
qu’elle est composée de milliers d’atomes. Les premières
structures tridimensionnelles ont été établies en 1959 dans le
cas de l’hémoglobine et d’une protéine apparentée, à partir
d’analyses effectuées en cristallographie par diffraction
Protéine normale
Protéine dénaturée
D é n aturat io n
R e n a turat io n
m Figure 5.22 Dénaturation et renaturation d’une protéine.
Des températures élevées ou divers traitements chimiques dénaturent
la protéine. Ils lui font perdre sa forme, donc sa capacité de fonctionner.
Si elle reste dissoute, la protéine dénaturée peut retrouver sa forme
originelle lorsque le milieu revient à la normale.
Polypeptide
Étapes de l’action
d’une chaperonine :
Protéine
repliée
correctement
Cylindre
creux
Chaperonine
(complètement assemblée)
Couvercle
Un polypeptide de
forme linéaire entre
par une extrémité
du cylindre.
1
Le couvercle se fixe à cette
extrémité, provoquant une
modification de la forme
du cylindre. Cela crée un
environnement hydrophile
approprié au repliement
du polypeptide.
2
Le couvercle se
retire, et la protéine
correctement
repliée s’échappe
du cylindre creux.
3
c Figure 5.23
La chaperonine
en action. L’illustration
réalisée par ordinateur
(à gauche) montre un
complexe de chaperonines
provenant de la bactérie
E. coli. Son espace interne
permet à des polypeptides
nouvellement formés
de se plier correctement.
Ce complexe est formé
de deux protéines.
L’une des protéines forme
un cylindre creux à
l’extrémité duquel l’autre
protéine, en forme de
couvercle, peut se fixer.
Parmi les autres agents de dénaturation figurent les substances
chimiques qui brisent les liaisons hydrogène, les liaisons
ioniques et les ponts disulfure, dont dépend la forme d’une
protéine. La dénaturation peut également résulter d’une chaleur excessive ; celle-ci agite les chaînes polypeptidiques suffisamment pour vaincre les interactions faibles qui stabilisent
la structure d’une protéine. Ainsi, le blanc d’œuf devient
opaque pendant la cuisson, car les protéines qui le composent
sont dénaturées par la chaleur : elles deviennent insolubles et
coagulent. Ce facteur explique également pourquoi une très
forte fièvre peut être fatale : les températures élevées dénaturent
les protéines du sang.
Une protéine dénaturée dans une éprouvette, que ce soit
par des produits chimiques ou par la chaleur, peut parfois
reprendre sa forme fonctionnelle quand l’agent dénaturant disparaît. On peut en conclure que l’information conduisant à
l’adoption d’une forme spécifique est liée à la structure primaire. C’est donc la séquence des acides aminés qui détermine la forme d’une protéine, c’est-à-dire les endroits où se
formeront des hélices a, des feuillets plissés b, des ponts
disulfure, des liaisons ioniques, etc. Mais comment le repliement d’une protéine se produit-il dans la cellule ?
Le repliement des protéines dans la cellule
Les biochimistes connaissent maintenant la séquence des
acides aminés de plus de 10 millions de protéines et la forme
tridimensionnelle de plus de 20 000 protéines. Les chercheurs
ont essayé d’établir une corrélation entre la structure primaire
de nombreuses protéines et la structure tridimensionnelle
afin de déterminer les règles régissant le repliement de ces
macromolécules. Malheureusement, le processus n’est pas
aussi simple. La plupart des protéines passent probablement
par plusieurs étapes intermédiaires avant d’adopter une forme
stable. L’étude de cette structure ne révèle pas ces étapes.
Cependant, les biochimistes ont élaboré des méthodes pour
suivre les étapes intermédiaires de la formation d’une protéine.
Les chaperonines (aussi appelées chaperons moléculaires)
sont des molécules protéiques qui favorisent le repliement
adéquat des autres protéines (figure 5.23). Les chaperonines
ne dictent pas la structure finale d’un polypeptide ; elles
empêchent plutôt le nouveau polypeptide de céder, pendant
son repliement spontané, aux « mauvaises influences » qui se
manifestent dans l’environnement cytoplasmique. La bactérie E. coli abrite une chaperonine illustrée à la figure 5.23 ; il
s’agit d’une multiprotéine complexe ressemblant à un cylindre
creux dont la cavité sert d’abri à différents polypeptides en
processus de repliement. Par ailleurs, au cours de la dernière
décennie, les chercheurs ont découvert des systèmes moléculaires qui interagissent avec les chaperonines et vérifient
qu’un repliement correct a eu lieu. Ces systèmes replient
correctement les protéines mal repliées ou les marquent afin
qu’elles soient détruites.
Le mauvais repliement des polypeptides constitue un
problème sérieux dans les cellules. De nombreuses maladies
comme la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et
l’encéphalopathie spongiforme bovine (maladie de la vache
folle) sont associées à une accumulation de protéines anormalement repliées. En fait, des versions mal repliées de la
transthyrétine, la protéine représentée à la figure 5.20, ont
été mises en cause dans plusieurs maladies, dont une forme
de démence sénile.
Même lorsqu’ils sont en présence d’une protéine repliée
correctement, il n’est pas facile pour les scientifiques de déterminer sa structure tridimensionnelle exacte, étant donné
qu’elle est composée de milliers d’atomes. Les premières
structures tridimensionnelles ont été établies en 1959 dans le
cas de l’hémoglobine et d’une protéine apparentée, à partir
d’analyses effectuées en cristallographie par diffraction
Protéine normale
Protéine dénaturée
D é n aturat io n
R e n a turat io n
m Figure 5.22 Dénaturation et renaturation d’une protéine.
Des températures élevées ou divers traitements chimiques dénaturent
la protéine. Ils lui font perdre sa forme, donc sa capacité de fonctionner.
Si elle reste dissoute, la protéine dénaturée peut retrouver sa forme
originelle lorsque le milieu revient à la normale.
Polypeptide
Étapes de l’action
d’une chaperonine :
Protéine
repliée
correctement
Cylindre
creux
Chaperonine
(complètement assemblée)
Couvercle
Un polypeptide de
forme linéaire entre
par une extrémité
du cylindre.
1
Le couvercle se fixe à cette
extrémité, provoquant une
modification de la forme
du cylindre. Cela crée un
environnement hydrophile
approprié au repliement
du polypeptide.
2
Le couvercle se
retire, et la protéine
correctement
repliée s’échappe
du cylindre creux.
3
c Figure 5.23
La chaperonine
en action. L’illustration
réalisée par ordinateur
(à gauche) montre un
complexe de chaperonines
provenant de la bactérie
E. coli. Son espace interne
permet à des polypeptides
nouvellement formés
de se plier correctement.
Ce complexe est formé
de deux protéines.
L’une des protéines forme
un cylindre creux à
l’extrémité duquel l’autre
protéine, en forme de
couvercle, peut se fixer.