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protéine
Représentation schématique de la myoglobine. Cette protéine d'homologue hémoglobine lie l'oxygène dans les muscles. Il est la première dont la structure a été résolue par cristallographie et diffraction des rayons X par Max Perutz et John Kendrew

la protéine (ou protidi) Sont grands biomolécules (ou macromolécules) Composé de chaînes de les acides aminés reliés entre eux par un liaison peptidique (Soit un lien entre un groupe amino d'un acide aminé et un groupe carboxyle l'autre acide aminé, créé par un réaction de condensation avec la perte d'un molécule d 'eau).

Les protéines jouent un large éventail de fonctions au sein de organismes vivants, y compris catalyse tout réactions métabolique, fonction de synthèse en tant que réplication de l'ADN, la réponse à des stimuli et le transport de molécules d'un endroit à un autre. Les protéines diffèrent les uns des autres principalement dans leur séquence d'acides aminés, qui est dictée par la séquence de nucleotides conservé dans gènes et que les résultats habituellement dans un repliement des protéines dans un structure spécifique en trois dimensions qui détermine son activité.

description

Une chaîne linéaire de résidus d'acides aminés est appelé "polypeptide« (Soit une chaîne de plusieurs acides aminés liés par des liaisons peptidiques). Une protéine est généralement composé d'un ou plusieurs polypeptides de temps éventuellement des groupes coordonnés de non-peptide, appelé groupes prosthétiques ou cofacteurs. courts polypeptides contenant moins d'environ 20 à 30 acides aminés, les protéines sont rarement pris en compte et sont communément appelés des peptides ou oligopeptides parfois.

La séquence d'acides aminés dans une protéine est définie par cette séquence dans un gène, laquelle il est codé dans code génétique. En général, le code génétique précise des 20 acides aminés standards; Cependant, le code dans certains organismes peuvent comprendre sélénocystéine (SEC), et dans certains archées, la pyrrolysine et enfin un acide aminé 23 °, N-formylméthionine, un dérivé de méthionine, qui commence la synthèse des protéines de certaines bactéries. Peu de temps après, ou même pendant la la synthèse des protéines, des résidus d'une protéine sont souvent modifiés chimiquement par modification post-traductionnelle qui modifie les propriétés physiques et chimiques, le pliage, la stabilité, l'activité et, en fin de compte, la fonction de la protéine. Les protéines peuvent également fonctionner ensemble pour atteindre une fonction particulière et associer souvent dans des complexes multiprotéiques stables.

Une fois synthétisé l'organisme, les protéines existent seulement pour une certaine période de temps, puis viennent dégradé et recyclé par l'intermédiaire des mécanismes cellulaires pour le processus de renouvellement des protéines. La durée d'une protéine est mesurée en termes de demi-vie et il peut être très variée. Certains peuvent esitere pour seulement quelques minutes, d'autres jusqu'à quelques années, mais la durée moyenne dans les cellules d'un mammifère Il est entre 1 et 2 jours. protéines anormales et mal repliées ou sont dégradés plus rapidement ou peuvent provoquer une instabilité.

Comme d'autres macromolécules biologiques, tels que polysaccharides et des acides nucléiques, protéines sont des éléments essentiels des organismes et participent à pratiquement tous les processus qui se déroule à l'intérieur des cellules. En fait, enzymes sont des protéines qui fonctionnent comme catalyseurs pour les réactions biochimiques et sont essentiels au métabolisme. Les protéines ont également des fonctions structurelles ou mécaniques, tels que le 'actine et myosine en muscles et des protéines qui composent la cytosquelette, la formation d'une structure qui permet de maintenir la forme de la cellule. D'autres protéines sont essentielles pour la signalisation cellulaire, pour les réponses immunitaires, et l'adhésion cellulaire cycle cellulaire. Les protéines sont également des éléments nécessaires "alimentation des animaux, car ils ne peuvent pas synthétiser tous les acides aminés dont ils ont besoin et doivent obtenir les essentiels par l'alimentation. Merci au processus de digestion, les animaux se décomposent protéines ingérées en acides aminés individuels, qui sont ensuite utilisés dans le métabolisme.

Les protéines peuvent être purifiés à partir d'autres composants cellulaires en utilisant une variété de techniques telles queultracentrifugation, la précipitation, l 'électrophorèse et Chromatographie; l'avènement de la 'génie génétique a rendu possible un certain nombre de méthodes pour faciliter cette purification. Les procédés couramment utilisés pour étudier la structure et la fonction des protéines comprennent immunohistochimie, la Mutagenèse dirigée, la Cristallographie aux rayons X, la RMN et spectrométrie de masse.

Caractéristiques principales

Par analogie avec d'autres macromolécules comme biologique polysaccharides et des acides nucléiques, protéines sont une partie essentielle des organismes vivants. Beaucoup appartiennent à la catégorie des enzymes, dont la fonction est de catalyser les réactions biochimiques vitales pour métabolisme des organismes. Certains ont des fonctions structurelles et mécaniques, telles que la 'actine et myosine dans les muscles, collagène dans les os et les tissus, et en tant que composant de cytosquelette téléphone. D'autres protéines sont des médiateurs importants la transmission de signaux intracellulaires et inter-, en réponse immunitaire, dans les mécanismes d'adhésion cellulaire dans cycle de division cellulaire.

Les protéines diffèrent principalement dans la séquence d'acides aminés qui les composent, ce qui à son tour dépend de la séquence de nucleotides de gènes qu'à l'intérieur de la cellule exprimera le synthèse. En général, le code génétique spécifie 20 acides aminés standard, mais dans certains organismes peuvent être inclus acides aminés non standard tels que sélénocystéine et - dans certains archées - la pyrrolysine. La séquence d'acides aminés à son tour détermine la pliant de la protéine spécifique dans un structure tridimensionnelle qui donne à l'activité spécifique. Souvent, certains résidus d'acides aminés d'une protéine est modifiée, immédiatement après ou même pendant la synthèse avec des modifications chimiques post-traductionnelle. Ces modifications altèrent les propriétés physico-chimiques, le pliage, la stabilité et l'activité de protéines, en changeant sa fonction. Parfois, les protéines se lient ledit non peptidique des groupes groupes prosthétiques ou cofacteurs, capable de modifier davantage les propriétés. Les protéines pour réaliser des fonctions particulières peuvent également être associés à des complexes stables avec d'autres protéines.

Les protéines qui contiennent le même type et le nombre d'acides aminés peuvent différer de l'ordre dans lequel elles sont situées dans la structure de molécule. Cet aspect est très important car une faible variation de la séquence d'acides aminés d'une protéine (par exemple, l'ordre dans lequel les différents types d'acides aminés se suivent) peut conduire à des variations dans la structure tridimensionnelle de macromolécule qui peut faire la protéine non fonctionnelle. Un exemple bien connu est le cas de la chaîne bêta de 'hémoglobine humaine, qui, dans sa séquence normale apporte un tube formé par: valine - histidine - leucine - thréonine - proline - l'acide glutamique - lysine.

classification

La formation de copies en double de gènes et l'altération de la fonction d'une protéine au cours de l'évolution a conduit à la formation d'environ 500 familles de protéines identifiées. Au sein d'une famille, bien que chaque protéine joue un rôle légèrement différent de l'autre, la séquence d'acides aminés, en particulier au niveau des sites catalytiques et dans les régions conservées, est presque identique. Il y a, cependant, une loi qui applique à toutes les protéines d'une famille; en fait, il y a des protéines à partir de la séquence d'acides aminés et très différents, cependant, de la très semblable conformation tridimensionnelle.

On peut donc dire que, dans le cours de l'évolution au sein d'une famille de protéines a été conservée sur la conformation tridimensionnelle qui n'est pas la séquence d'acides aminés. En général, quand au moins un quart de la séquence d'acides aminés de deux protéines correspond, ils ont la même structure générale. Deux protéines différentes appartenant à la même famille et la même fonction sont appelés « paraloghe », tout en est appelé « orthologue » la même protéine dans deux organismes différents (par exemple, l'homme et la souris). La relation entre les deux protéines est généralement admis que si au moins 30% des acides aminés correspond, mais de vérifier qu'il est possible de recourir à des soi-disant empreinte digitale, dire de courtes séquences d'acides aminés communs dans presque toutes les protéines d'une famille donnée.

protéine
fragment fibronectine.

Certaines protéines ont été formées en mélangeant des domaines protéiques ou leur duplication au sein de la même protéine en tant que résultat des unions de codage d'ADN accidentelles; certains domaines sont particulièrement fréquents et sont donc appelés modules de protéines. Ces domaines ont la particularité d'avoir le N-terminal et C-terminal aux pôles opposés de la protéine, de sorte que l'agrégation à d'autres domaines et d'autres protéines pour former des structures plus grandes est favorisée par rapport à ce qui se passerait s'ils étaient tous deux au même pôle de la protéine; un exemple est le module 1 de la fibronectine. Dans ce cas, les domaines sont insérés dans les boucles de protéines de certaines protéines, par exemple sous la forme kringle 'urokinase ou d'un domaine SH2. Certains de ces domaines ne sont pas seulement trouvé parmi les protéines orthologues paraloghe mais aussi, par exemple, le domaine SH2 montre une distribution similaire dans les deux ver à la volée, mais il est très rare dans légume. Il y a des domaines communs à seulement certaines catégories d'organisations telles que le CMH, la complexe majeur d'histocompatibilité (complexe majeur d'histocompatibilité), Présent chez l'homme, mais absent insectes et dans les plantes, mais ceux-ci ne représentent que 7% du total. Il a également noté que, en dépit de certains organismes apparemment simples comme plante Arabidopsis thaliana possèdent plusieurs gènes d'un être humain, les protéines essentiellement humaines sont formées par un plus grand nombre de domaines et sont donc plus complexes que les orthologues dans d'autres organismes.

Le classement peut alors être effectué en fonction de la composition chimique, la configuration moléculaire ou solubilité. Ils se distinguent donc de simples protéines (comprenant des seuls acides aminés) et des protéines conjuguées (consistant en une protéine simple et un groupe prosthétique de nature non protéique).

Parmi les protéines sont simples et des protéines fibreuses, insoluble en général dans des solvants aqueux, et empêche parfois l'attaque des enzymes protéolytiques, telles que: la collagène (Constituant essentiel de tissu conjonctif), L 'élastine (Constituant principal des fibres élastiques et les parois des vaisseaux), le kératine (Composante essentielle de 'épiderme). De plus, il y a toujours les plus simples protéines globulaires, la albumine (Très fréquent dans le monde animal), la globulines (Insoluble dans l'eau, se trouvent dans le sang, dans le muscle, dans les tissus en général et dans les graines) et prolamines (Caractéristiques du monde végétal).

Parmi les protéines conjuguées (composé d'au moins + apoprotéinegroupe prosthétique): L 'hémoglobine, la chlorophylles et opsin.

Une autre classification des protéines est une qui les distingue selon leur fonction dans laquelle on peut distinguer les protéines de structure qui sont des composants des structures permanentes de l'organisme et qui ont principalement une fonction mécanique, la des protéines de transport qui se lient à des substances peu solubles dans l'eau, et de permettre le transport dans les fluides corporels et enzymes qui sont des protéines catalytique. Parmi les autres fonctions des protéines dans la régulation de la 'l'expression de gènes, la reproduction, transcription et traduction la ADN, la régulation des réactions métaboliques, la génération et la réception de l'influx nerveux. beaucoup toxines et beaucoup allergènes Ils sont également des protéines.

biochimie

protéine
chimie de liaison peptidique (Bas) et la structure tridimensionnelle d'une liaison peptidique entre un alanine et un acide aminé adjacent (panneau supérieur)
protéine
Ouvrages d'art résonance de la liaison peptidique qui relie les acides aminés individuels pour former un polymère de protéine.

La plupart des protéines sont constituées par polymères Linéaire construite à partir de la série de 20 différents acides L-a-aminés. tous acide aminé protéinogène Ils ont des caractéristiques structurelles communes, y compris un carbone α par un groupe amine, un groupe carboxyle et une chaîne latérale variable. seulement proline Elle diffère de cette structure de base, car il contient un noyau inhabituel pour le groupe amino.[1] Les chaînes latérales des acides aminés classiques, décrites dans Liste des acides aminés standard, Ils ont une grande variété de structures et propriétés chimiques; Il est l'effet combiné de toutes les chaînes latérales des acides aminés dans une protéine qui détermine finalement la structure en trois dimensions et de sa réactivité chimique.[2] Les acides aminés d'une chaîne polypeptidique sont liés par des liaisons peptidiques. Une fois connecté dans la chaîne de la protéine, un acide aminé particulier est appelé un résidu et la série reliée de carbone, azote et des atomes d'oxygène Ils sont connus comme « chaîne principale » ou « protéines colonne vertébrale».[3]

La liaison peptidique a deux formes de résonance qui contribuent à double liaison et empêcher la rotation autour de son axe, de sorte que le carbone α sont approximativement coplanaires. Les deux autres angles dièdres de la liaison peptidique de déterminer la forme locale pris en charge par la « protéine colonne vertébrale. [4] L'extrémité de la protéine avec un groupe carboxyle libre est connue comme C-terminale domaine, tandis que l'extrémité avec un groupe amino libre est connue sous le domaine N-terminal. Les termes protéine, polypeptide et peptide sont un peu ambigus et peuvent se chevaucher dans certaines significations. Le terme « protéine » est généralement utilisé pour désigner la molécule biologique complète dans une conformation stable, alors que le « peptide » est généralement reconnu comme un oligomère court d'acides aminés qui manquent souvent une structure tridimensionnelle stable. Cependant, la frontière entre les deux composés ne sont pas bien définis et généralement le nombre de résidus qui les différencie est proche de 20-30.[5] Par « polypeptide » on peut se référer à une seule chaîne linéaire d'acides aminés, habituellement peu importe la longueur, mais souvent le terme implique l'absence d'une conformation définie.

composition

Les protéines ont une structure tridimensionnelle très complexe à laquelle il est toujours associé à une fonction biologique. De cette considération, il tire l'un des principes fondamentaux de la biologie"structure <--> fonction» En ce sens que chaque autre organisation structurelle possédée par une protéine (appelée la protéine native) est associée à une fonction biochimique spécifique de ce point de vue, les protéines peuvent être classées en deux grandes familles:. Les protéines globulaires et les protéines à structure étendue . ou fibreux Ces deux organisations reflètent les deux grandes séparations fonctionnelles qui les distinguent:

  • Les protéines fibreuses étendues ou jouent généralement des fonctions biomécaniques, ils entrent dans la constitution des os, clous, cheveux, la couche cornée dell 'épiderme, muscle (actine et la myosine), fournissant un support structurel et opposer une défense valable contre le monde extérieur.
  • En revanche, les protéines globulaires sont impliquées dans les fonctions biologiques spécifiques et multiples, souvent crucial pour l'économie mobile, sont les protéines enzymes, la pigments respiratoires, beaucoup hormones, toxines, et anticorps, responsable de défense immunitaire.

Leur composition d'acides aminés est variable et sous le contrôle génétique pour lesquelles leur poids moléculaire Il peut être très variable et dépend du nombre et du type d'acides aminés (monomères) dont la molécule est faite. Si la molécule est composée de quelques unités d'acides aminés (généralement pas plus de 10) est défini comme un « oligopeptides ». Les molécules de plus de 10 unités sont appelés « polypeptides »[6]. Une protéine est formée par un ou plusieurs polypeptides peut être accompagné par un ou plusieurs groupes prosthétiques et son poids moléculaire est généralement non inférieure à 10 000[7].

Une protéine dans son organisation d'origine, et donc fonctionnellement active, ne peut exister que dans solutions salines dilué (très similaire à la composition, à celles qui existent dans les systèmes aqueux cellulaires). Sa structure dépend exclusivement des caractéristiques physico-chimiques du solution aqueuse où il est (pH, présence d'ions de sel, la température, la pression, la présence de composés organiques tels que urée, des alcools, etc.). La variation de ces paramètres peut entraîner des changements structuraux qui peuvent modifier les propriétés fonctionnelles, à annuler (protéine dénaturée).

La molécule de protéine est composée d'atomes carbone, oxygène, hydrogène et azote; aussi souvent qu'il contient soufre (Présent dans les acides aminés méthionine, cystéine et cystine), et parfois, phosphore et / ou des métaux tels que fer, cuivre, zinc et autres.

propriétés physico-chimiques

Les propriétés des protéines sont liées à celles de leurs constituants, les acides aminés: sont électrolytes amphotère, Ils peuvent être soumis à électrophorèse, ils sont optiquement actif (Gaucher) et ont la phénomène Tyndall.

la point isoélectrique (Ou PI) d'une protéine est représentée par la concentration en ions hydrogène du milieu, qui se comporte de façon à prendre la forme d'un protide anfoione.

Pour obtenir la poids moléculaire (Ou PM) des protéines doit avoir recours à des techniques et des méthodes pas toujours faciles à mettre en œuvre. Parmi eux, celui qui fournit des résultats les plus précis est sans aucun doute la spectrométrie de masse.

structure

pliant

Une protéine, étant une macromolécule formée par des dizaines de milliers d'atomes, pourrait prendre un nombre incroyablement élevé de plis possibles. Cependant la limite de considérations physiques des plis très possible et donc la conformation finale d'une protéine. Pendant ce temps, les atomes ne peuvent jamais se chevaucher et se comportent à peu près comme des sphères de rayon défini ledit au sein de van der Waals, cela limite pas seulement le nombre d'angles autorisés dans une chaîne de polypeptide. Chaque acide aminé contribue à la formation de la chaîne de polypeptide avec trois liens:

  • La liaison peptidique (C-N) entre la carbone un groupe cétone d'un des acides aminés et de l 'azote le groupe amino du groupe adjacent.
  • La liaison appelée classiquement Cα-C qui est présent entre l'atome de carbone central qui est fixé sur le groupe latéral R et l'atome de carbone du groupe carboxyle.
  • La liaison Cα-N entre le carbone central et l'atome d'azote du groupe amino de la même acide aminé.

La liaison peptidique est plane et empêche une véritable rotation, tandis que les deux autres permettent aux liens.

L'angle de rotation de la liaison Cα-C est dit ψ, celle de la liaison Cα-N est ladite φ. La conformation des atomes de la chaîne principale d'une protéine est déterminée par la paire de ces angles de rotation pour chaque acide aminé. Puisqu'il est possible collision stérique entre les acides aminés angles possibles sont limités. Ramachandran en fonction des paires possibles d'angles de rotation compilé un graphique qui prend aujourd'hui son nom où il est clairement visible que la plupart des protéines supposent que deux grands types de conformation: l 'α-hélice et β-feuille.

protéine
Représentation des liaisons hydrogène (lignes en pointillés) à travers lesquelles ils interagissent les différents segments de la même chaîne protéique.

Parmi les atomes d'une protéine ils permettront de déterminer de telles interactions de liaisons, qui peut être covalente ou non covalente. Les liaisons non covalentes, pris individuellement, sont toujours plus faibles que covalentes dans l'ordre de dizaines ou des centaines de fois, mais leur nombre dans une protéine qui les rend critique pour comprendre le pliage. Les liaisons non covalentes que l'on trouve dans les protéines sont les des liaisons hydrogène, attractions électrostatique et van der Waals attractions.

  • La liaison hydrogène est effectuée, par exemple, entre un atome de oxygène et un voisin hydrogène.
  • Les attractions électrostatiques se produisent entre les groupes latéraux avec dispositif de charge opposée.
  • Le van der Waals sorties se produisent entre les dipôles moléculaires induites instantanées (force à Londres), Entre dipôles permanents (résistance Keesom) ou entre un dipôle permanent et un induit correspondant (la force Debye).

A ces interactions doivent être ajoutées à l'approche et se regrouper pour former les poches hydrophobes éloignées du réseau de liens la tendance des groupes d'acides aminés hydrophobes (phénylalanine, la leucine, l'isoleucine, le tryptophane, la valine, la cystéine, la méthionine, la proline, l'alanine et la glycine) un atome d'hydrogène qui doit toujours être imaginé présent dans un environnement aqueux entre les molécules d'eau. En général, les groupes d'acides aminés hydrophobes sont presque toujours des endroits au sein de la protéine, puisque c'est typiquement dans un environnement aqueux, tandis que ses acides aminés hydrophiles, polaires et chargés, ont tendance à être à l'extérieur. La structure tridimensionnelle d'une protéine est déterminée par un seul agencement séquentiel de ses acides aminés et la conformation assume qui tend à l'une ayant la plus faible énergie libre.

Il était possible de découvrir cette particularité des protéines en réalisant des expériences dénaturation (L'utilisation de solvants tels que l'urée) et la renaturation de protéines in vitro. Il a été noté que certaines protéines, une fois dénaturées et enlevé l'enveloppe solvant autonome. Cependant, toutes les protéines une fois dénaturées peuvent spontanément se replier dans leur conformation d'origine. La conformation d'une protéine, bien qu'il soit normalement plus stable que possible pour la séquence des acides aminés, ne sont pas immuable, et subit de petits changements dus à l'interaction avec ligands ou d'autres protéines. Cette fonction est la base des capacités de la plupart des protéines. La conformation d'une protéine peut être grandement aidé et raffiné par chaperons, des protéines qui se lient aux chaînes partiellement pliées et aident jusqu'à atteindre la conformation correcte. Souvent, ils agissent les uns avec les autres en isolant les poches hydrophobes d'une protéine, qui autrement tendance à rejoindre prématurément.

Une partie de la protéine qui se replie indépendamment du reste de la chaîne polypeptidique est appelé domaine de protéine et une protéine peut également avoir plus d'un. Sont supposés exister dans la nature autour de 2.000 domaines de protéines de structure différente, environ 800 ont été identifiés, mais la grande majorité des domaines de protéines prend quelques dizaines de différentes conformations.

L'α-hélice et la feuille de β-plissé

Les conformations en hélice a et β-feuille se trouvent le plus commun dans les chaînes polypeptidiques d'une protéine. Une seule protéine peut comprendre deux hélices a que ß-feuilles en nombre variable.

  • L 'α-hélice Il est la forme la plus courante chez les protéines, en particulier présents dans les récepteurs des cellules, où il est immergé dans la membrane plasmatique de la cellule, souvent avec d'autres hélices a pour seule protéine (chaînes polypeptidiques reliées par U). Dans ce cas, les groupes hydrophobes sont en contact avec la membrane plasmatique et les groupes hydrophiles sont à l'intérieur, ou donnent vers le cytoplasme et l'espace extracellulaire. L'hélice est l'un des conformations les plus favorables, car bien sûr réduit l'énergie libre, peut être gaucher ou droitier. Il a été découvert pour la première fois nell'α-kératine dans les années soixante. L'α-hélice est formée quand une chaîne de polypeptide se replie sur elle-même à la formation de liaisons hydrogène entre une liaison peptidique et le quatrième côté, en particulier entre le groupe céto C = O et le NH de l'un de l'autre groupe, et la liaison est compris entre O et H. Tous les groupes amino d'une hélice sont face à l 'N-terminal de la protéine, tous ceux vers la cétone C-terminal, si l'hélice prend une charge positive partielle à l'extrémité N-terminale et une charge négative partielle à l'extrémité C-terminale. L'hélice qui est formé a une révolution complète tous les 3,6 acides aminés et la distance moyenne entre eux est de 0,54 nm. Dans certains deux protéines ou trois hélices sont enroulées autour de l'autre pour former la bobine enroulée. En général, cette conformation est supposé lorsque chaque hélice a la plupart des chaînes latérales d'acides aminés hydrophobes, d'un côté, de cette manière, en exploitant les sorties hydrophobes, les hélices peuvent envelopper autour de l'autre. L'α-kératine est un exemple de protéine qui assume cette conformation particulière, on préfère des protéines avec une fonction structurelle.
  • la feuille plissé ß Il est la deuxième conformation la plus commune dans les protéines, très présent dans certaines enzymes et les protéines impliquées dans la défense immunitaire. Il a été découvert dans les années soixante qui étudient la fibrine, le constituant principal de la protéine de soie. La feuille β plissée est constituée de plusieurs chaînes polypeptidiques qui assurent le côté de l'autre, reliés en une structure continue par de courtes chaînes de U. Ces séquences peuvent pointer dans la même direction (chaînes parallèles) ou dans des directions alternées (chaînes antiparallèles) . Là encore, les chaînes polypeptidiques adjacents sont joints en une structure rigide par des liaisons hydrogène qui relient les liaisons peptidiques d'une chaîne avec l'une adjacente.

Les niveaux d'organisation

protéine
De haut en bas: représentation de la structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire la structure d'une protéine.

Une protéine dans son ensemble est une molécule dans laquelle ils sont traditionnellement différents niveaux d'organisation distingués, qui peut être trois ou quatre en fonction de la protéine.[8]

  • la structure primaire est formé par la séquence spécifique d'acides aminés, la chaîne peptidique et le même nombre de chaînes, seul détermine le pliage de la protéine.
  • la structure secondaire Elle consiste en la conformation spatiale des chaînes; par exemple, la conformation en spirale (ou hélice alpha), Et autorisé par Entretenu des liaisons hydrogène, ce plan (ou feuille bêta), La bobine enroulée (collagène) Ou ceux qui appartiennent au groupe KEMF globulaire (kératine, epidermina, la myosine, le fibrinogène). Au sein d'une seule protéine, il peut y avoir une combinaison de séquences de hélices alpha, feuille β et des séquences non répétitives, et sont à un niveau de complexité entre le structure secondaire et que tertiaire.
  • la domaine est une unité formée par des chaînes polypeptidiques globulaires ou fibreux plié dans les régions plus compactes, constituent les divisions de structure tertiaire, Il a la fois caractéristique plus ou moins indépendamment du reste de la protéine. Un domaine est généralement comprise entre 30 et 350 acides aminés. Un grand nombre de protéines les plus complexes sont des combinaisons modulaires de plusieurs domaines de protéines. Parmi les plus courantes sont en citant SH2 ou SH3; protéine Src possède un domaine SH2, un domaine SH3 et un domaine kinase catalytique C-terminal.
  • la structure tertiaire (Du point de vue de la thermodynamique Il est la forme la plus faible énergie libre) Il est représenté par la configuration tridimensionnelle complète que la chaîne polypeptidique prend l'environnement dans lequel il se trouve.
    Il est permis et maintenu par plusieurs facteurs, tels que des ponts disulfure, et Van der Waals. but de sa formation fondamentale sont chaperonine, protéines appelées aussi « le » ou « le stress du choc thermique » (HSP, "protéines de choc thermique "), Pour leur rôle dans la revitalisation des protéines dénaturées.
    La plupart des structures tertiaires peuvent être classés comme globulaire ou fibreux.
  • la structure quaternaire est celle qui provient de l'association de deux unités polypeptidiques ou plus, reliés entre eux par des liaisons faibles (et parfois des ponts disulfure) D'une manière très spécifique, comme cela se produit dans la constitution de l'hémoglobine, il se compose de quatre sous-unités, deux globulines α et deux ß-globulines.

Les protéines contiennent en outre un non-polypeptide, groupe prosthétique, ils sont appelés protéines conjuguées. Deux isoformes de protéines si vous dites, avec la même structure primaire, ils diffèrent dans l'un des autres niveaux de la structure. dénaturer un moyen de protéine détruire sa conformation spatiale, la rupture des liaisons hydrogène et de ponts disulfure au moyen de acides, bases, la chaleur, un rayonnement ou d'agitation (un exemple courant de dénaturation est la cuisson d'un œuf dans lequel l 'albumine, qui constitue la majorité de l'albumine, il est dénaturé). Une protéine dénaturée, tout en conservant sa structure primaire, ne peut plus remplir sa fonction, à moins qu'ils ne sont pas en mesure de rétablir la structure tertiaire.

complexe protéique

Les protéines, comme ils sont complexes même pris individuellement, dans les organismes vivants peuvent se joindre à d'autres protéines de protéines identiques ou différents créant apparemment très complexes de protéines. Ce qui permet à cette obligation sont les mêmes liaisons non covalentes qui permettent une protéine d'assumer une conformation particulière. Dans une protéine sont souvent présentes une ou plusieurs caractéristiques des zones capables d'interactions non-covalentes avec d'autres protéines connues des sites de liaison. Quand une protéine, par l'intermédiaire d'un site de liaison, se lie à une autre protéine pour former un complexe protéique de chaque complexe protéine appelée sous-unité protéique.

Si les sous-unités qui forment le complexe protéique sont deux, il dira qu'il est un dimère, si vous avez trois trimère, si quatre d'un tétramère et ainsi de suite. Il y a des complexes de protéines qui contiennent des dizaines de sous-unités. La liaison entre les sous-unités peut être par exemple « tête à tête » (dans ce cas sont des dimères favorisée) ou « tête-queue » (où les protéines sont souvent globulaire ou anneau).

protéine
Structure des 'hémoglobine. les différentes sous-unités constituant sont visibles.

Un exemple de protéine fournie par la sous-unité multiple est l 'hémoglobine, une protéine globulaire constituée de quatre sous-unités, deux a-globulines l'une des deux pôles et deux ß-globulines les autres (les sous-unités ne sont donc pas alternatif), avec un groupement prosthétique (hème) lié à chaque sous-unité.

D'autres complexes de protéines sont formés par plusieurs sous-unités plus qui permettent la création des filaments depuis un pôle possèdent un site de liaison et l'autre pôle une structure protéique supplémentaire à ce même site. Cela crée des chaînes de filaments protéiques tels que la F-actine, formées par des centaines de sous-unités globulaires d'actine-G qui donnent au microscope électronique une apparence similaire à celle d'un collier de perles hélicoïdale. La redondance de la structure hélicoïdale est droite et pas toujours en raison de l'affinité d'une conformation ayant la plus faible énergie libre.

Une variante est l'hélice superhélice, impliquant deux ou trois chaînes polypeptidiques, comme dans la kératine ou le collagène. On peut dire, de façon générale, que les protéines globulaires ont tendance à avoir une fonction enzymatique, tandis que ceux qui forment des filaments ont une fonction structurale (formée par exemple myofibrilles dans les fibres musculaires ou les fibres de la matrice extracellulaire, ou encore le cytosquelette d'une cellule) .

Il y a des protéines dont la fonction est rendue possible précisément par leur structure peu caractérisable et au hasard, est un exemple de la 'élastine, qui forment les fibres élastiques dans la paroi des artères, et de nombreux autres tissus du corps humain. Nell'elastina nombreuses chaînes polypeptidiques sont liées de manière covalente les uns avec les autres sans un arrangement régulier et une telle structure désordonnée détermine sa déformabilité. les protéines non structurées ont plusieurs fonctions dans la cellule, par exemple, certains ont seulement une fonction structurelle comme l'élastine, sont, cependant, d'autres voies telles que nucleoporine placées sur la membrane nucléaire de chaque cellule, et d'autres encore servir de protéines d'échafaudage, à savoir des protéines qui regroupées à proximité d'autres protéines de la touche de fonction associée dans la signalisation et la communication cellulaire. Une caractéristique commune de toutes les protéines non structurées est une grande redondance d'acides aminés et de la faible présence d'acides aminés hydrophobes.

Certaines protéines sont très exposés à la dégradation de l'environnement extracellulaire sont stabilisées par disulfure (liaisons S-S) qui sont formées entre deux protéines; Cette liaison agit comme un véritable aliment de base sur la protéine, même dans des environnements hostiles lui permettant de maintenir sa conformation. A l'intérieur du cytoplasme, il est difficile de trouver en raison de l'environnement en réduisant des liaisons disulfure, pour lesquels les cystéines montrent des groupes (-SH).

L'évolution a également assuré qu'il y avait la possibilité de créer encore plus grands complexes de protéines de filaments, superhélice, ou des protéines globulaires. L'avantage de telles structures est que, comme ils sont souvent constitués par la répétition des sous-unités identiques ou analogues, prend un peu de matériel génétique pour synthétiser de grands complexes de protéines, tels que, par exemple, capsides de virus. En outre, l'association entre les sous-unités nécessitent généralement une énergie très faible, ou, dans certains cas, les sous-unités sont auto-assemblage (par exemple, le ribosome bactérien). La capside de nombreux virus ou est formé d'un tube creux (comme dans le virus de la mosaïque du tabac) ou ressemble à un icosaèdre ou une sphère creuse, comme pour le poliovirus.

En général, ces structures se sont révélés être très stables, étant donné les nombreuses interactions entre les sous-unités, à la fois adaptables, étant donné que pour infecter une cellule doit permettre la sortie de l'acide nucléique, ARN ou ADN.

Chiralité des protéines

tous les acides aminés, à l'exception de glycine un carbone lié à quatre substituants différents dont elle est centre chiral. Tous les acides aminés peuvent donc exister dans deux conformations: L ou , synthétiser artificiellement vous obtenez un mélange racémique.

Cependant tous les acides aminés de composés organiques présents dans la nature seulement conformation L. Les acides aminés dans la configuration D se trouvent dans certaines espèces bactériennes et sont également utilisés pour la synthèse de médicaments. Le gramicidine S, un peptide naturel avec fonction anti-bactérienne, dans sa structure primaire contient également certains acides aminés appartenant à la conformation D.

résumé

Synthèse organique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: la synthèse des protéines.
protéine
Un ribosome produit une protéine en utilisant l'ARNm comme matrice.
protéine
la séquence ADN d'un gène codage pour la séquence d'acides aminés de la protéine.

Les protéines sont formés à partir des acides aminés en utilisant des informations codées dans gènes. Chaque protéine a sa propre séquence d'acides aminés dérivée de la séquence nucleotides le gène codant pour. la code génétique Il est constitué par des triplets de nucleotides lesdits codons et chaque combinaison de trois nucléotides désigne un acide aminé, par exemple août (adénine-uracile-guanine) Il est le code méthionine. Étant donné que l'ADN contient quatre nucléotides différents, le nombre total de codons possibles est 64; étant les 20 acides aminés standard seulement dans le code génétique, il existe un certain degré de redondance et de certains acides aminés correspondent plusieurs codons.[9] Les gènes présents dans l'ADN sont d'abord transcrit en pré-ARNm (Pré-ARNm) par des protéines telles queARN polymérase.

La majorité des organismes traiter la pré-ARNm (également connu sous le nom transcrit primaire) A l'aide de diverses formes de Les modifications post-transcriptionnel pour former l 'ARNm mature. L'ARN messager obtenu est ensuite utilisé comme modèle pour la biosynthèse des protéines dans ribosome. en prokaryotes l'ARNm peut être utilisée immédiatement après avoir été produite ou après la allontananto nucleoid. En revanche, eukaryotes former l'ARNm in noyau cellulaire et ensuite à travers la translocation membrane nucléaire en cytoplasme, a lieu où le biosynthèse des protéines. La vitesse de synthèse des protéines dans des procaryotes est le plus grand par rapport aux eucaryotes et peut atteindre les 20 résidus d'acides aminés par seconde.[10]

Le procédé de synthèse d'une protéine à partir d'un moule d'ARNm est connu comme la traduction. L'ARNm est chargé dans le ribosome et lire trois nucleotides à la fois par couplage avec chaque codon correspondant anticodon localisé sur 'L'ARN de transport qui porte l'acide aminé correspondant au codon reconnu. l'enzyme aminoacyl-ARNt synthétase « Charge » de la molécule d'ARNt avec l'acide aminé approprié. Les protéines sont toujours biosintetizzate de la fin N-terminal dans le sens de cette C-terminal.[9] Les acides aminés sont ensuite reliés les uns aux autres par l'élimination d'une molécule d'eau par l'intermédiaire de la peptidyl-transférase.

On peut mesurer la taille d'une protéine synthétisée par le nombre d'acides aminés qui contient et son masse moléculaire totale, qui est normalement mesurée en dalton (Synonyme unités de masse atomique) Ou l'unité dérivée kilodaltons (kDa). Par exemple, les protéines levure Ils sont longs, en moyenne, de 466 résidus d'acides aminés et un poids moyen de 53kDa.[5]

Synthèse artificielle

Les protéines plus courtes peuvent également être synthétisés par voie chimique en utilisant un certain nombre de méthodes de synthèse peptidique qu'elles reposent sur des techniques synthèse organique comme légation chimique pour produire des peptides avec des rendements élevés.[11]

La synthèse chimique permet l'introduction dans la séquence d'acides aminés non-naturels, tels que l'insertion de sondes fluorescent.[12] Ces méthodes sont utiles dans les laboratoires biochimie et biologie cellulaire, bien que généralement ils ont pas d'application commerciale.

La synthèse chimique est inefficace (en termes de rendement) pour des polypeptides plus longs de 300 résidus d'acides aminés et les protéines synthétisées peuvent avoir des problèmes pour assumer rapidement la structure tertiaire de la conformation native. La plupart des méthodes de synthèse chimique procèdent de l'extrémité C-terminale à l'extrémité N-terminale, dans la direction opposée à la biosynthèse naturelle.[13]

fonctionnalités mobiles

Les protéines jouent un rôle fondamental dans la cellule, l'accomplissement des tâches spécifiques dans les informations codées contenues dans les gènes.[5] Ils peuvent jouer une fonction structurelle, immunitaire, le transport (oxygène, des minéraux, des lipides, des membranes), l'identification de l'identité génétique, hormonal, enzymatique, contractile, de l'énergie. A l'exception de certains types d'ARN, la plupart des autres molécules biologiques sont des éléments relativement inertes sur lesquels agissent les protéines. Les protéines représentent la moitié du poids sec d'une cellule de Escherichia coli, tandis que d'autres macromolécules, telles que l'ADN et l'ARN, constituent respectivement que de 3% et 20%.[14] L'ensemble des protéines exprimées dans un type cellulaire particulier est connu comme protéome.

La principale caractéristique des protéines qui leur permet un ensemble diversifié de fonctions est la capacité à se lier à d'autres molécules d'une manière spécifique. La région de la protéine qui permet la liaison avec l'autre molécule est connue sous le site de liaison et est souvent une dépression ou « poche » sur la surface moléculaire. Cette capacité de liaison est médiée par la structure tertiaire de la protéine, qui définit la poche du site de liaison, et des propriétés chimiques des chaînes latérales des acides aminés environnants. Les liens entre les protéines peuvent être extrêmement serré et précis; par exemple, la protéine d'inhibiteur de ribonucléase se lie avec une all'angiogenina humaine constante de dissociation sous-femtomolare (<10-15 M), mais il ne se lie pas du tout à son homologue de amphibie (> 1M). modifications chimiques extrêmement mineures, comme l'ajout d'un seul groupe méthyle à une protéine de liaison, il peut parfois être suffisant pour éliminer cette contrainte: par exemple, l 'aminoacyl-ARNt synthétase Il est précisé de aa valine discriminandola de chaîne latérale similaire de isoleucine.[15]

Les protéines peuvent se lier à d'autres protéines sur des substrats, ainsi que de petites molécules. Les interactions protéine-protéine régulent également l'activité enzymatique, de contrôler la progression du cycle cellulaire et permettent l'assemblage de grands complexes de protéines qui réalisent de nombreuses réactions étroitement apparentées ayant une fonction biologique commune. Les protéines peuvent également se lier, ou même être intégré dans le membranes cellulaires. La capacité des partenaires de liaison pour induire des changements conformationnels dans les protéines permet la construction des réseaux de signalisation très complexes.[16][17]

Il est important de souligner que les interactions entre les protéines sont réversibles et dépendent fortement de la disponibilité des différents groupes de protéines partenaires pour former des agrégats qui sont en mesure de réaliser des ensembles discrets. L'étude des interactions entre protéines spécifiques est une clé pour comprendre les aspects importants de la fonction cellulaire et, en fin de compte, les propriétés qui distinguent certains types de cellules. [18]

enzyme Fonction

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: enzyme.

Le rôle le plus connu des protéines dans la cellule est de fonctionner comme enzymes capable catalyser réactions chimiques. Presque tous les noms d'enzymes se terminent par « -asi » par convention. Les enzymes sont habituellement très spécifiques et sont en mesure d'accélérer seulement un ou quelques autres, des réactions. Ils sont essentiels pour la plupart des réactions impliquées dans la métabolisme, ainsi que dans les processus de manipulation ADN, comme réplication de l'ADN, la réparation de l'ADN et transcription. Certaines enzymes agissent sur d'autres protéines en ajoutant ou supprimant des groupes chimiques dans un processus connu en tant que modification post-traductionnelle. Ils sont des notes sur 4.000 réactions catalysées par des enzymes. [19] L'accélération conférée par catalyse enzymatique est souvent énorme, jusqu'à 1017 fois supérieure à la réaction non catalysée dans le cas de orotate décarboxylase, ce qui nécessiterait un temps de 78 millions d'années sans l'intervention de l'enzyme, mais grâce à son intervention cette fois-ci est réduite à seulement 18 millisecondes.[20]

Le ligand d'une enzyme appelée substrat et il est généralement beaucoup plus petite que l'enzyme elle-même. Bien que les enzymes peuvent être constituées de plusieurs centaines d'acides aminés, habituellement une petite fraction seulement des résidus entrent en contact avec le substrat, et, en moyenne, un sur quatre est directement impliqué dans la catalyse même le plus petit des trois villages.[21] La région de l'enzyme qui se lie au substrat et contient les résidus catalytiques est connue sous le nom site actif.

  • hydrolase, des enzymes qui coupent un substrat par hydrolyse, font partie de la protéase (qui passe d'autres protéines) et la nuclease (qui coupent des acides nucléiques, à savoir ADN et ARN);
  • synthase, enzymes qui synthétisent une nouvelle molécule à partir de deux substrats, généralement par condensation;
  • isomérase, des enzymes qui convertissent un ligand en un isomère de celui-ci chimiquement modifié au niveau des liens;
  • polymérase, enzymes qui associent diverses molécules constituant un polymère, par exemple un acide nucléique;
  • kinase, enzymes qui ajoutent des groupes phosphate à certaines molécules;
  • phosphatase, des enzymes qui éliminent les groupes phosphate à partir de certaines molécules;
  • oxydoréductase, enzymes qui oxydent et réduisent certaines molécules, font partie de l'oxydase, la déshydrogénase et reductase;
  • ATPase, des enzymes qui hydrolysent l'ATP en libérant l'énergie.

La signalisation cellulaire et un ligand

protéine
Schéma d'un anticorps de souris contre choléra qui se lie à un antigène hydrates de carbone.

De nombreuses protéines sont impliquées dans le processus de la signalisation cellulaire et transduction du signal. Certaines protéines, telles queinsuline, Ils fonctionnent dans l'environnement extracellulaire en transmettant un signal de la cellule dans laquelle ils ont été synthétisés à d'autres cellules appartenant à des tissus éloignés. D'autres, comme le des protéines membranaires, agir comme récepteurs dont la principale fonction est de lier une molécule de signalisation et induire une réponse biochimique dans la cellule. De nombreux récepteurs ont un site de liaison exposée sur la surface des cellules et un domaine effecteur qui est situé à l'intérieur, ce qui peut avoir une activité enzymatique ou peut subir un changement de conformation qui est détectée par d'autres protéines dans la cellule.[22]

la anticorps Ils sont des composants de protéines de système immunitaire adaptatif dont la principale fonction est de lier la antigènes ou des substances étrangères dans le corps et marquer ensuite les à détruire. Les anticorps peuvent être sécrété dans l'environnement extracellulaire ou ancré dans la membrane lymphocytes B, connu sous le nom de cellules plasmatiques. Si les enzymes sont limitées dans leur affinité de liaison pour leurs substrats par la nécessité de réaliser la réaction, les anticorps ne sont pas ces contraintes. L'affinité de liaison d'un anticorps avec sa cible est extraordinairement élevée.[23]

Presque toutes les protéines connues interagissent avec d'autres protéines ou avec d'autres types de molécules, mais ces ligands, par le biais de leurs sites de liaison, ce qui est la base de la plupart des interactions présentes dans une cellule. Une protéine standard possède un site de liaison qui lui permet de se lier à un ou quelques ligands, de sorte que la majorité des protéines a une spécificité élevée. Le degré de liaison peut être différent, il y a des protéines qui se lient à leurs ligands de façon très tenace, tandis que d'autres qui se lient faiblement et du type d'influences liaison la fonction de la même protéine. Par exemple, anticorps se lient étroitement leurs ligands (appelés antigènes), Et certaines enzymes aux questions cinétique et pour accélérer les réactions ont été lieront pas si étroitement son substrat.

La capacité de liaison est toujours dépendante de la capacité de la protéine d'établir des liaisons non covalentes (liaison hydrogène, attractions électrostatiques, attraction hydrophobe et van der Waals) Ligand. Plus de liaisons sont formées, plus le lien avec le ligand sera un total de intense. Le site de liaison d'une protéine possède une forme qui est presque généralement complémentaire à celle du ligand qu'il doit y adhérer, ce qui détermine sa spécificité. Les caractéristiques de chaque site de liaison sont donnés par des chaînes latérales d'acides aminés qui font face à elle; les acides aminés qui participent sont souvent loin le long de la chaîne polypeptidique de la protéine. Des mutations dans le site de liaison déterminent généralement l'échec ou la cessation de l'activité catalytique ou de liaison d'origine. Il est pas surprenant de penser que les sites de liaison sont quelques-uns des acides aminés les plus conservés dans une protéine. Les sites de liaison sont isolées du milieu aqueux dans lequel ils sont plongés étant donné que certaines chaînes latérales disposées au voisinage de la liaison ont tendance à repousser le site de molécules d'eau; Il est également défavorable pour une des liaisons hydrogène de la molécule d'eau se dissocier du réseau auquel il est interconnecté à d'autres molécules d'eau pour réagir avec une chaîne latérale d'un acide aminé du site de liaison. Le ligand peut être attiré par de certains appareils, tels que le groupement d'acides aminés à des sites spécifiques à la charge, qui sont donc en mesure d'attirer plus facilement des ligands de charge opposée et en même temps de rejeter ceux qui ont la même charge. Les interfaces possibles entre une protéine et son ligand sont nombreux, parmi les plus communs des interactions de surface (site de liaison) -stringa (ligand) ou hélice-hélice (courant dans les protéines régulatrices de gènes), ou, le plus souvent de les deux autres, surface contre surface (comme cela se produit dans de nombreuses enzymes). La force de liaison d'une protéine à son ligand à l'équilibre, soit à l'état dans lequel les associations et les dissociations entre la protéine et le ligand sont en nombre égal, est mesurée par la constante d'équilibre.

Le taux de dissociation est calculé selon la formule suivante: vitesse = k associationde[AB] où [AB] est la concentration du complexe protéique en moles et kde est la constante de dissociation.

La vitesse d'association est calculé selon la formule suivante: vitesse = k de dissociationsur[A] [B], où [A] et [B] sont les deux molécules et ksur est la constante d'association.

En égalant les deux vitesses est constaté par la constante d'équilibre (également connu sous le nom d'affinité) Kà = [AB] / [A] [B].

Plus la constante d'équilibre, plus la force de liaison, il est également une mesure directe de la différence d'énergie libre entre l'état de la protéine associée et dissociée. Un modèle utilisé pour déterminer la grandeur de l'affinité d'un ligand pour une protéine est basée sur 'équation Scatchard.

De nombreuses protéines se lient de petites molécules particulières et les transporter vers d'autres zones d'un organisme multicellulaire. Ces protéines possèdent une forte affinité de liaison lorsque leur ligand est présent à des concentrations élevées, mais elles doivent également être en mesure de le libérer lorsqu'il est présent à de faibles concentrations dans les tissus cibles. L'exemple classique d'un ligand protéique est l 'hémoglobine, portant dans tous les vertébrés l 'oxygène de poumons à d'autres organes et a dans tous les proches homologues règne biologique.[24] la lectines Ils sont très spécifiques à des protéines particulières sucre. Ils jouent un rôle biologique important dans le processus de reconnaissance des polysaccharides présents sur les membranes cellulaires.[25] Les récepteurs et hormones sont des protéines de liaison hautement spécifiques.

la protéines transmembranaires Ils peuvent également servir comme les protéines de transport de ligand en modifiant la perméabilité de la membrane cellulaire pour les petites molécules et les ions. La membrane a seulement un centre hydrophobe à travers laquelle les molécules polaires ou des charges ne peuvent pas se propager. Les protéines membranaires contiennent des canaux internes qui permettent de telles molécules d'entrer et de sortir de la cellule. beaucoup les canaux ioniques les protéines sont spécialisés pour sélectionner uniquement un ion particulier; par exemple, canaux potassiques et les canaux sodiques souvent ils choisissent seulement l'un des deux ions.[26]

Les protéines structurelles

Les protéines structurales confèrent la rigidité aux éléments biologiques qui seraient autrement en écoulement. La plupart des protéines structurales sont des protéines fibreuses; par exemple, collagène et élastine Ils sont des éléments clés de tissu conjonctif comme cartilage tandis que kératine Il est situé dans des structures rigides ou filamenteux, tel que cheveux, clous, plumage, sabots et quelques-uns coquillages.[27] certains protéines globulaires Ils peuvent aussi jouer un rôle structural, par exemple, l 'actine et tubuline sont globulaire et soluble en tant que monomères, mais sont capables de se polymériser pour former des fibres longues et rigides qui composent le cytosquelette, la structure qui permet à la cellule de maintenir sa forme et sa taille.

D'autres protéines qui jouent des fonctions structurelles sont des protéines motrices telles que myosine, la kinésine et dynein, dont ils sont capables de générer des forces mécaniques. Ces protéines sont essentielles pour la mobilité des cellules organismes unicellulaires et pour la sperme de nombreux organismes multicellulaires reproduire sexuellement. Ils permettent également la contraction muscles[28] et jouent un rôle essentiel dans le transport intracellulaire.

Méthodes d'étude

Les activités et les structures de protéines peuvent être examinées in vitro, in vivo et in silico. études in vitro des protéines purifiées dans des environnements contrôlés sont utiles pour comprendre la façon dont une protéine exerce sa fonction: par exemple, la cinétique de l'enzyme études explorent le mécanisme chimique de l'action catalytique d'une enzyme et l'affinité par rapport aux molécules de substrat possibles. En revanche, des expériences in vivo Ils peuvent fournir des informations sur le rôle physiologique d'une protéine dans le cadre d'une cellule ou d'un organisme entier. études in silico en utilisant des méthodes de calcul de les étudier.

La purification des protéines

Pour effectuer l'analyse in vitro, une protéine doit être purifiée, qui est isolé des autres composants cellulaires. Ce processus commence habituellement par la lyse cellule, où la la membrane d'une cellule Elle est interrompue et son contenu interne publié dans un solution connu sous le lysat brut. Le mélange résultant peut être purifié par ultracentrifugation, qui fractionne les différents composants cellulaires en parties contenant des protéines solubles; des lipides et des protéines de la membrane; organelles et des acides nucléiques. Le phénomène de précipitation, avec un procédé connu sous le nom relargage, Il peut se concentrer les protéines de ce lysat. diverses techniques chromatographie Ils sont ensuite utilisés pour isoler la protéine ou la protéine d'intérêt sur la base des propriétés telles que la poids moléculaire, charge nette et l'affinité de liaison.[29] Le niveau de purification peut être contrôlée en utilisant différents types de gel de Polyacrylamide si le poids moléculaire et le point isoélectrique de la protéine désirée sont connus, au moyen de spectroscopie si la protéine a distinguables caractéristiques spectroscopiques ou par des dosages enzymatiques si la protéine a une activité enzymatique. En outre, les protéines peuvent être isolées en fonction de leur charge grâce à isoélectrofocalisation.[30]

En ce qui concerne la protéine naturelle, une série d'étapes de purification peut être nécessaire pour obtenir une protéine suffisamment pure pour les applications de laboratoire. Pour simplifier ce processus, le 'génie génétique Il est souvent utilisé pour ajouter des fonctionnalités chimiques aux protéines qui les rendent faciles à isoler sans affecter leur structure ou leur activité. Il agit en entrant un "étiquette« Qui consiste en une séquence spécifique d'acides aminés, souvent une série de résidus d'histidine (a »Son étiquette« ), Sont insérés dans un terminal de la protéine. Par conséquent, lorsque le lysat est passé sur un Chromatographie sur colonne contenant nickel, les résidus d'histidine se lient le nickel et l'agrégat de la colonne, tandis que les composants sans étiquette passer sans entraves. Un certain nombre de étiquette plusieurs ont été mis au point pour aider les chercheurs à isoler des protéines spécifiques à partir de mélanges complexes.[31]

localisation cellulaire

protéine
Les protéines dans les différents compartiments et structures cellulaires marqués avec la protéine fluorescente verte (Ici en blanc).

L'étude des protéines in vivo ce qui est souvent leur synthèse et la localisation dans la cellule. Bien que sont synthétisés de nombreuses protéines intracellulaires cytoplasme tandis que ceux de la membrane sont sécrétées dans le réticulum endoplasmique, la façon de la façon dont les protéines sont ciblées sur organites spécifiques ou des structures cellulaires est souvent peu claire. Une technique utile pour évaluer la localisation cellulaire utilise le génie génétique pour exprimer une protéine de fusion dans une cellule ou une chimère constituée de la protéine naturelle d'intérêt lié à un "gène rapporteur« Comme le la protéine fluorescente verte (GFP).[32] La localisation de la protéine fusionnée dans la cellule peut être efficacement isolé et observé avec un microscope[33], comme le montre la figure à gauche.

D'autres méthodes pour clarifier la localisation cellulaire des protéines nécessite l'utilisation de marqueurs connus de compartiments tels que le réticulum endoplasmique, la Golgi, la lysosomes ou vacuoles, la mitochondries, la chloroplastes, la membrane plasmatique, etc. Avec l'utilisation de versions fluorescentes de ces marqueurs ou des marqueurs utilisant des anticorps connus, il devient beaucoup plus facile d'identifier l'emplacement d'une protéine d'intérêt. Par exemple, immunofluorescence indirecte affichera la position. Les colorants fluorescents sont utilisés pour marquer des compartiments cellulaires à des fins similaires.[34]

Il existe d'autres possibilités. Par exemple, l 'immunohistochimie En général, il utilise un anticorps d'une ou plusieurs protéines d'intérêt qui sont conjugués à des enzymes qui produisent les deux signaux chromogéniques et luminescentes qui peuvent ensuite être comparées entre les échantillons, ce qui permet d'obtenir les informations de localisation. Une autre technique applicable est la comparaison du gradient de saccharose (Ou autre matériau) au moyen d'une centrifugation isopycnique.[35] Cette technique est principalement utilisée pour les études à grande échelle.

Enfin, la méthode considérée comme la étalon-or pour la localisation cellulaire est l'utilisation de microscope électronique. Cette technique utilise également un anticorps à la protéine d'intérêt, avec les techniques de microscopie électronique classique. L'échantillon est préparé pour un examen normal au microscope électronique, puis traité avec un anticorps à la protéine d'intérêt qui est conjugué à un matériau extrêmement électro-dense, généralement en or. Cela permet à la fois la localisation de détail ultrastructurale, à la fois la protéine d'intérêt.[36]

Grâce à une autre application du génie génétique, connue sous le nom Mutagenèse dirigée, les chercheurs peuvent modifier la séquence de la protéine et donc sa structure, sa localisation cellulaire et la sensibilité à la réglementation. Cette technique permet également à l'incorporation d'acides aminés non naturels dans des protéines, en utilisant ARNt modifiés[37] et peut permettre à la conception de nouvelles protéines avec des propriétés nouvelles.[38]

protéomique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: protéomique.

L'ensemble de toutes les protéines dans une cellule ou dans un type de cellule est appelée protéome, et l'étude de ces ensembles de données à grande échelle est identifiée comme étant le domaine de la protéomiques, par analogie avec le nom du champ de génomique. techniques expérimentales clés comprennent la protéomique 'électrophorèse bidimensionnelle,[39] ce qui permet la séparation d'un grand nombre de protéines, spectrométrie de masse,[40] ce qui permet une identification rapide des protéines, à haut rendement et le séquençage des peptides, la technique de puces à ADN pour la protéine,[41] ce qui permet la détermination des teneurs en relation avec un grand nombre de protéines présentes dans une cellule et double hybride qui permet l'analyse systématique des interactions protéine-protéine.[42] Le complément total de ces interactions biologiquement possibles est connu sous le nom interactome.[43] Une tentative systématique de déterminer les structures de protéines qui représentent tous les plis possibles est connu sous le nom génomique structurale.[44]

Bio-informatique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Bio-informatique.

Une large gamme de méthodes de calcul ont été développés pour analyser la structure, la fonction et l'évolution des protéines.

Le développement de ces outils a été alimentée par la grande quantité de données génomiques et protéomiques disponibles pour une variété d'organismes, y compris génome humain. Il est tout simplement impossible d'étudier toutes les protéines expérimentalement, de sorte que quelques-unes sont soumis à des expériences de laboratoire, et des outils de calcul sont utilisés pour extrapoler les données de protéines similaires. Ces protéines homologues peuvent être efficacement identifiés dans l'alignement des organismes éloignés de séquences. Le génome et la séquence génétique peut être déterminée par une variété d'outils et de tirer profit de certaines propriétés. des outils de profilage de séquence peut trouver des sites d'enzymes de restriction, la phase ouverte de lecture dans les séquences de nucleotides et de prédire les structures secondaires. arbres phylogénétiques Ils peuvent être construits et hypothèses évolutives développées à l'aide d'un logiciel spécial comme ClustalW, en ce qui concerne l'origine des organismes modernes et les gènes qu'ils expriment. Le domaine de la bio-informatique il est maintenant essentiel pour l'analyse des gènes et des protéines.

la structure et la simulation Prévision

protéine
Les acides aminés constituant peuvent être analysés pour prédire la structure secondaire, de la structure tertiaire et quaternaire de la protéine, dans ce cas dell 'hémoglobine contenant des motifs EME.

Complémentaire dans le domaine de la génomique structurale, la prédiction de la structure des protéines vise à développer des moyens efficaces de fournir des modèles plausibles pour des protéines dont la structure n'a pas encore été déterminée expérimentalement.[45] Le moyen le plus efficace de prévoir une structure, dite modélisation homologue, est basée sur l'existence d'une structure « modèle » avec une similarité de séquence avec la protéine d'être identifié; objectif de la génomique structurale est de fournir une représentation suffisante des structures résolues pour modéliser la plupart de ceux qui n'ont pas été mises en œuvre. [46] Bien que la production de modèles précis reste un défi lorsque seules les structures des modèles connexes sont disponibles, il a été suggéré que l'alignement de séquence est la "goulot« Ce processus, en fait, pourrait être réalisé des modèles très précis si elle était connue d'un » parfait « alignement de la séquence.[47] La plupart des méthodes de prédiction de la structure ont servi à informer le nouveau domaine de l'ingénierie des protéines, dans laquelle les nouveaux plis de protéines ont déjà été examinés.[48] Un problème de calcul plus complexe est la prédiction d'interactions intermoléculaires, par exemple dans un accueil moléculaire et prédictions des interactions protéine-protéine.[49]

les processus repliement des protéines et les interactions peuvent être simulées au moyen de techniques de mécanique moléculaire, en particulier, la dynamique moléculaire et méthode de Monte Carlo, qui utilisent de plus de plus de calcul parallèle et distribué (projet Folding @ home;[50] La modélisation moléculaire sur GPU). La flexion de la petite protéine Domaines hélice alpha, à la tête de villina[51] et une protéine accessoire 'HIV[52] ont été simulé avec succès sur l'ordinateur, et les méthodes hybrides qui combinent les calculs standards de dynamique moléculaire la mécanique quantique Ils ont permis l'étude des états électroniques de rhodopsine.[53]

Les protéines désordonnées

De nombreuses protéines (entre 20 et 40% de nombreux protéome) contiennent de larges segments biologiquement fonctionnels structurés et peuvent être classés comme des protéines intrinsèquement désordonnées. Prédire le désordre d'une protéine est donc une partie plus importante de la caractérisation de leur structure.

utilisation

La protéine est nécessaire dans l'alimentation des animaux, car les animaux ne peuvent pas synthétiser tous les acides aminés dont ils ont besoin et doivent obtenir certains d'entre eux (le soi-disant acides aminés essentiels) De la nourriture. Grâce au processus de digestion, animaux cassent protéines ingérées en acides aminés libres, qui sont ensuite utilisés dans la création de nouvelles protéines structurales, des enzymes, des hormones, ou comme source d'énergie par néoglucogenèse.

Les protéines peuvent être purifiés en les séparant des autres composants cellulaires en utilisant diverses techniques, y compris ultracentrifugation, précipitation, électrophorèse et Chromatographie; l'avènement de la 'génie génétique Il a rendu possible de nombreuses méthodes qui facilitent la purification des protéines. Les procédés couramment utilisés pour étudier la structure et la fonction des protéines comprennent la 'immunohistochimie, la Mutagenèse dirigée, la RMN et spectrométrie de masse.

Le rôle de l'alimentation

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: les besoins en protéines.
protéine
Voici quelques exemples d'aliments riches en protéines
protéine
La consommation de protéines dans le monde en 2001-2003.

plus des micro-organismes et les plantes peuvent synthétiser les 20 les acides aminés normes, alors que les animaux (y compris les humains) doivent obtenir certains d'entre eux avec régime.[54] Les acides aminés que le corps ne peut synthétiser sont appelés "acides aminés essentiels».[55] Certaines enzymes clés qui synthétisent certains amminaocidi ne sont pas présents chez les animaux, y compris le 'aspartokinase, qui catalyse la première étape dans la synthèse de lysine, méthionine et thréonine de aspartate. Si les acides aminés sont présents dans l'environnement, les micro-organismes peuvent économiser l'énergie de les retirer de l'environnement et limitant leurs voies biosynthétiques.

Chez les animaux acides aminés sont obtenus avec la consommation d'aliments contenant des protéines. protéines ingérées sont décomposées en acides aminés par le biais de digestion,[55] ce qui implique généralement la dénaturation des protéines dans l'environnement de l'acide gastrique et l 'hydrolyse par lesdites enzymes protéase. Certains acides aminés ingérés sont utilisés dans la biosynthèse des protéines, tandis que d'autres sont convertis en glucose par néoglucogenèse, ou faire partie de la cycle de l'acide citrique. Cette utilisation de protéines comme source d'énergie est particulièrement importante dans des conditions de famine car elle permet également l'utilisation des protéines du corps, en particulier ceux qui étaient présents dans le muscle, en tant que substrat pour maintenir la vie.[56]

valeurs nutritionnelles

Les deux principaux indices nutritionnels pour les aliments qui contiennent des protéines sont les suivants:

  • Coefficient de l'utilisation digestive (C.U.D.) = (azote absorbé / azote introduit avec le régime)
  • l'utilisation protéique nette (N.P.U.) = N retenu par le corps / N introduite dans le régime alimentaire. L'indice tient compte à la fois de l'efficacité digestive que le motif d'acides aminés.
  • Valeur biologique (VB): il indique la quantité d'azote effectivement absorbé et utilisé des pertes nettes (urine, les matières fécales, de la peau, etc.). Pour les œufs et le lactosérum, il est égal à 100%, un équilibre parfait entre absorbés et des acides aminés entre les acides aminés considérés.

Histoire et étymologie

Les protéines ont été reconnues comme une classe distincte de molécules biologiques du XVIIIe siècle grâce aux études menées par Antoine Fourcroy et d'autres, sur la base de la capacité de ces substances à coaguler ou floculat en vertu d'un traitement par la chaleur ou à l 'acide.[57] A ce moment-là, quelques exemples célèbres inclus l 'albumen, l 'albumine la sang, la fibrine et gluten Blé.

Les protéines ont été décrites par chimique néerlandais Gerardus Johannes Mulder et il a reçu le nom par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius en 1838.[58][59] Mulder effectue une analyse élémentaire des protéines communes et a découvert qui avait presque tous les mêmes formule empirique, C400H620N100OU120P1S1.[60] Il est venu à la conclusion erronée qu'ils étaient composés d'un seul type, mais molécule très grande. Le terme « protéine » pour décrire ces molécules a été proposé par Berzelius, un collègue de Mulder; Le terme vient du mot grecque (proteios, πρώτειος), Cela signifie que « primaires »,[61] « Frais généraux » ou « debout devant »[62] Mulder a continué à identifier les produits de dégradation de la protéine Dellai tels que la leucine d'acides aminés qui calcule un poids moléculaire, presque correct, 131 de.[60]

scientifiques de la nutrition précoce, comme le allemand Carl von Voit, croyait que la protéine était nutriment le plus important pour le maintien de la structure du corps, parce qu'il pensait que « la chair est chair. »[63] Karl Heinrich Ritthausen protéine étendue formes connues avec la découverte de 'l'acide glutamique. au Connecticut Agricultural Experiment Station Il a été procédé à un examen détaillé des protéines végétales par le scientifique Thomas Osborne Burr. Travailler avec Lafayette Mendel et l'application de la Loi du Moindre à des rats de laboratoire, il a été possible d'établir quelles étaient les acides aminés essentiels. L'étude a été poursuivie par William Cumming Rose. Ce fut grâce au travail de Franz Hofmeister Hermann Emil Fischer qui il a été en mesure d'identifier des protéines telles que des polypeptides. Le rôle central des protéines telles que des enzymes dans les organismes vivants n'a pas été pleinement acceptée jusqu'en 1926, lorsque James Batcheller Sumner a montré que 'uréase Il était en fait une protéine.[64]

La difficulté d'isoler les protéines en grandes quantités, il est très difficile à l'étude biochimique précoce des protéines. Ainsi, les premières expériences ont porté sur ce qui pourrait être purifié plus facilement, comme le sang, le blanc d'œuf, divers toxines et les enzymes métaboliques / digestifs obtenus en abattoirs. En 1950, la Armure et société 1 kg de purifié ribonucléase A de pancréas une vache et fait à la disposition des scientifiques gratuitement; ce qu'il a fait devenir le ribonucléase A un outil important pour l'étude de la biochimie pour les prochaines décennies.[60]

protéine
John Kendrew avec le modèle de myoglobine

Linus Pauling Il est reconnu pour avoir des structures secondaires fourni de protéines à base régulière des liaisons hydrogène, une idée qui avait déjà été proposé par William Astbury en 1933.[65] Le prochain travail de Walter Kauzmann sur la dénaturation,[66][67] basée en partie sur des études antérieures Linderstrom Kaj-Lang,[68] Il a contribué à la compréhension du pliage des protéines et la structure à médiation par des interactions hydrophobes.

La première protéine a été séquencée l 'insuline en 1949, grâce au travail de Frederick Sanger. Sanger correctement déterminé la séquence d'acides aminés de l'insuline et ensuite définitivement démontré que les protéines sont constituées par des polymères linéaires d'acides aminés au lieu des chaînes ramifiées ou colloïdes.[69] Cette découverte lui a valu le Prix ​​Nobel en 1958.

Les premières structures de protéines résolues étaient celles de 'hémoglobine et myoglobine, respectivement, grâce à max Perutz et Sir John Cowdery Kendrew, en 1958.[70][71] À partir de 2014, la Protein Data Bank Il possède plus de 90.000 structures de protéines au niveau atomique.[72] Plus récemment, cryomicroscopie électronique de grandes assemblées macromoléculaires[73] et prédiction de calcul de structures protéiques petit domaines protéine[74] sont deux méthodes d'approche à la résolution atomique.

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