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Protéines

On classe les substances organiques présentes chez les êtres vivants en quatre catégories : les glucides, les lipides, les protides et les acides nucléiques (cette dernière catégorie, moins abondante, étant négligée par les nutritionnistes).

Les protides se distinguent des glucides et des lipides en ce qu’ils contiennent non seulement du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène, mais également de l’azote. Cette composition existe à la fois dans de petites molécules, les acides aminés et, dans des macromolécules, les protéines. Celles-ci sont en effet formées par l’enchaînement d’acides aminés attachés entre eux par des liaisons dites peptidiques (–CO-NH-) associant la fonction acide d’un amino-acide à la fonction amine de l’amino-acide adjacent : 20 acides aminés différents (dits « protéinogènes ») appartenant à la série « L » (relativement à la stéréochimie du carbone asymétrique qui porte les fonctions acide et amine) sont présents dans les protéines naturelles. Il y a des protides de taille intermédiaire, les peptides, qui comportent en général moins de 50 amino-acides. En fait, la frontière avec les protéines est floue, et se situe selon les auteurs entre 50 et 100 amino-acides. À ce niveau, ce sont des polypeptides, mais les plus petits (comportant de 2 à 10 amino-acides) sont nommés oligopeptides. À l’opposé, les protéines comportent des chaînes pouvant contenir jusqu’à un millier d’acides aminés, ce qui correspond à un poids moléculaire approximatif de 100 kDa. Il existe des protéines de taille plus importante, mais qui sont le plus souvent formées par l’association non covalente de plusieurs sous-unités (identiques ou différentes). Des associations protéiques multiples peuvent également conduire à constituer, dans les cellules, des \’e9difices supramol\’e9culaires (ribosomes, microfilaments, microtubules...).

La construction de polymères à partir de 20 sous-unités différentes est susceptible de générer une très grande diversité : il est ainsi théoriquement possible de former 20n protéines différentes contenant n résidus amino-acides et, avec n variant de 100 à plus de 1000, on voit que le nombre de combinaisons est énorme. Cependant, la séquence des acides aminés au sein des protéines ne doit rien au hasard. L’information qui définit cette séquence est contenue dans le noyau des cellules, au sein de l’ADN (acide désoxyribonucléique) des chromosomes. Cet ADN est lui-même constitué d’un assemblage séquentiellement agencé d’unités appelées nucléotides contenant 4 bases azotées différentes. L’ADN sera tout d’abord transcrit en ARN messager et ce dernier sera « lu » dans le cytoplasme d’une cellule au cours d’un processus de « traduction » qui fait correspondre la séquence des nucléotides avec celle des acides aminés selon un code à 3 lettres – à chaque ensemble de trois nucléotides successifs (= codon) correspond un acide aminé particulier (cf. GÉNÉTIQUEet acides NUCLÉIQUES). La découverte de ce dogme central de la biologie moléculaire (le code génétique) dans les années 1950-1960 a représenté une avancée spectaculaire dans notre connaissance du fonctionnement du monde vivant : il s’agit en effet du mécanisme de la biosynthèse des protéines. Or les protéines jouent un rôle fondamental dans tous les processus biologiques : schématiquement, on peut dire que, dans une cellule, les protéines sont les molécules fonctionnelles, tandis que les acides nucléiques sont des molécules informationnelles. ’’’’’

La complexité et la labilité des protéines ont constitué pendant longtemps un obstacle à leur étude (cf. chap. 1). Le développement des méthodes chimiques et physiques a fait progresser d’une manière décisive ce domaine de la biochimie (cf. chap. 2).

Les protéines sont des molécules fragiles, ce qui a constitué une grande difficulté pour étudier leur structure tridimensionnelle, qui est à la base de leur activité biologique. Sous l’influence de la chaleur ou des pH extrêmes (acides ou basiques), elles perdent leur conformation fonctionnelle ; on dit qu’elles sont « dénaturées ». Les conditions de stabilité diffèrent d’une protéine à l’autre. Il convient donc de prendre de grandes précautions pour éviter la dénaturation des protéines, par exemple lors de leur purification, préalable indispensable à leur analyse. On ne peut en effet mener des études structurales que sur des protéines hautement purifiées. ’Les techniques cristallographiques (diffraction des rayons X) à partir de 1957, puis celles utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN), ont permis de déterminer très précisément la structure tridimensionnelle des protéines. ’Le nombre et la séquence des acides aminés d’une protéine déterminent sa forme et, partant, sa fonction. La forme (conformation) d’une protéine résulte d’interactions diverses au sein de la protéine elle-même, tandis que sa fonction résulte de son interaction stéréospécifique avec d’autres molécules (autres protéines, acides nucléiques, petites molécules organiques...) qui se traduira, selon les cas, par une activité enzymatique, une activité motrice, une fonction de transport, une activité de signalisation, de défense, etc. La diversité de ces effets illustre la multiplicité des fonctions de protéines (cf. chap. 3).

Les peptides ont des fonctions plus restreintes ; ils interviennent essentiellement dans des mécanismes de signalisation (hormones, neurohormones) ou de défense de l’organisme (peptides antibactériens ou antifongiques, peptides à rôle antioxydant – glutathion, ...).

D’une façon très générale, on distingue des protéines globulaires et des protéines fibreuses. Mais, en dépit de la grande diversité des protéines étudiées, on ne rencontre qu’un nombre limité de motifs structuraux. Ce résultat fondamental justifie les classifications des protéines reposant sur des bases structurales, et fournit également le point de départ d’une réflexion sur les mécanismes d’évolution des protéines au sein du règne vivant (cf. chap. 4).

1. Jalons historiques

• Les « matières organiques azotées »

Le terme protéine apparaît en 1838 dans un article publié par le chimiste hollandais Gerrit Mulder. Mulder étudiait la composition élémentaire de substances azotées d’origine animale dont la fibrine, l’albumine et la gélatine. Il employait à cet effet ’’une méthode de combustion inventée dans les années 1810 par Joseph Gay-Lussac et Louis Jacques Thénard. En application de la loi des proportions multiples, qu’avait formulée le physicien et chimiste anglais John Dalton et qui est à la base de la théorie atomique, Mulder avait conclu à la présence, dans les substances organiques animales qu’il analysait, d’atomes de carbone, d’azote, d’oxygène, d’hydrogène associés à de petites quantités d’atomes de soufre et de phosphore. ’’L’idée alors émergea que dans diverses molécules organiques azotées du monde vivant une copule minérale, formée de phosphore et de soufre, était associée à un noyau organique azoté. Le noyau azoté étant commun à différentes espèces moléculaires azotées, il semblait logique d’attribuer à la copule minérale la spécificité fonctionnelle caractérisant les substances analysées. Le chimiste suédois Jöns Berzelius avait suggéré à Mulder de donner au noyau azoté le nom de protéine, (nom tiré du grec prôteios qui signifie « prééminent », « qui vient en premier ») pour souligner son rôle éminent. C’est pourquoi dans l’article publié par Mulder, les formules proposées pour la fibrine et la sérum albumine prennent la forme générale Pr + SP, Pr désignant le noyau protéique azoté de la molécule.

Si le terme « protéine » utilisé par Mulder en 1838 signe donc bien l’acte de naissance de la protéinologie’, il est indéniable que dès le XVIIIe siècle des substances du type protéine appartenant au monde vivant avaient été recensées, mais leur étude n’avait pu progresser faute d’une approche méthodologique appropriée. À titre d’exemple, en 1728, un médecin et chimiste de Bologne, Bartolomeo Beccari, intéressé par la physiologie de la nutrition, mentionne la présence, dans la farine de blé, non seulement d’amidon, matériau déjà connu, mais aussi d’une substance qui, triturée avec de l’eau, prend une consistance de glu. Pour cette raison, cette substance reçoit le nom de gluten (glutinum qui en latin signifie « colle »).

Dans la deuxième moitié du XVIIIe siècle, des travaux réalisés en particulier par des chimistes français, (Hilaire Martin Rouelle, Antoine François de Fourcroy, Louis Nicolas Vauquelin et Claude Berthollet) avaient aussi mis en évidence dans des extraits de plantes et de tissus animaux des substances gélatineuses riches en azote dont les propriétés ressemblaient à celles du gluten : consistance, couleur, coagulation par la chaleur, libération d’ammoniac par décomposition. Par référence à l’albumine du blanc d’œuf qui présentait de semblables caractères, on était convenu de qualifier ces substances d’« albumineuses » ou « albuminoïdes » (du latin albus,« blanc »).

• L’identification des acides aminés

En 1820, le chimiste français Henri Braconnot traite par de l’acide sulfurique la gélatine obtenue à partir de matières conjonctives animales, puis chauffe le mélange en présence d’eau pendant plusieurs heures. Au repos, après quelque temps, se déposent des cristaux dont l’analyse élémentaire révèle la présence d’azote. La substance dont sont formés les cristaux possède une saveur sucrée. Pour rappeler que la gélatine en est la source, Braconnot propose de l’appeler glycocolle (sucre de colle). Au cours de la même étude, Braconnot obtient par traitement de la laine et de la fibrine, un produit qui cristallise en aiguilles blanchâtres auquel il donne le nom de leucine (du grec leukos, « blanc »). Glycocolle et leucine furent les deux premiers acides aminés (amino-acides) isolés à partir d’hydrolysats de tissus d’origine animale. En 1846, Liebig isole dans les produits d’hydrolyse alcaline de la caséine du lait un troisième amino-acide qu’il appelle tyrosine (du grec turos, « fromage »). Dans les décennies suivantes et pendant plus d’un siècle, seront isolés, identifiés et caractérisés structuralement tous les autres amino-acides qui entrent dans la composition des protéines : sérine (1865), acide glutamique (1866), acide aspartique (1869), alanine (1875), valine (1879), phénylalanine (1881), lysine (1889), arginine (1895), histidine (1896), cystéine (1899), proline (1901), tryptophane (1901), isoleucine (1907), méthionine (1922), glutamine (1932), asparagine (1932) et enfin thréonine (1935).

En 1846, Friedrich Bopp, un élève de Liebig, avait montré que la sérum albumine, la fibrine et la caséine libèrent par hydrolyse des quantités légèrement différentes de leucine et de tyrosine. Bien que commentée avec prudence, cette observation portait cependant en germe la notion d’une spécificité des protéines liée à une différence dans leur composition en amino-acides.

• Propriétés physicochimiques des protéines

À la fin du XIXe siècle, deux concepts majeurs de la chimie organique désormais bien acceptés, celui de « molécules » constituées d’un assemblage d’atomes et celui de la « quadrivalence » du carbone (1848), contribuent au développement de la chimie des protéines. On découvre alors que dans les amino-acides qui entrent dans la composition des protéines, à l’exception toutefois de la glycine, le carbone (désigné par X) qui porte à la fois le groupe aminé (NH2) et le groupe carboxylique (CO), est asymétrique et possède une chiralité lévogyre.

’En utilisant des sels minéraux, tels que le sulfate d’ammonium, on parvient à isoler par précipitation, à partir d’un mélange de protéines, chacune des protéines présentes dans ce mélange. Cette technique, de précipitation fractionnée, sera d’usage courant dans la première moitié du XXe siècle, avant d’être concurrencée par des techniques plus élaborées, telles que la chromatographie par échange d’ions ou le tamisage moléculaire, dont il sera question dans le chapitre qui suit.

C’est à la fin du XIXe