Structure des protéines : quatre niveaux

Une protéine est une chaîne d'acides aminés ; elle n'agit pourtant que repliée dans une forme précise. Entre la chaîne et la forme, on distingue quatre niveaux d'organisation, et la question décisive à chaque niveau est : quelle liaison le tient ?

Structure primaire : la séquence. C'est l'ordre des résidus, unis par des liaisons peptidiques, liaisons covalentes entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine du suivant, formées avec départ d'une molécule d'eau. On lit la séquence de l'extrémité N-terminale (amine libre) vers l'extrémité C-terminale (carboxyle libre). Une chaîne de $N$ résidus compte $N - 1$ liaisons peptidiques. La liaison peptidique a un caractère partiel de double liaison : elle est plane et rigide, sans rotation libre autour d'elle ; seules les liaisons voisines tournent. C'est cette contrainte qui rend possibles des motifs réguliers.

Structure secondaire : des motifs locaux. Des segments de la chaîne adoptent des repliements réguliers, tenus par des liaisons hydrogène entre atomes du squelette peptidique — un $\mathrm{C{=}O}$ et un $\mathrm{N{-}H}$ —, quelles que soient les chaînes latérales :

• l'hélice $\alpha$ : la chaîne s'enroule sur elle-même ; le $\mathrm{C{=}O}$ d'un résidu se lie au $\mathrm{N{-}H}$ situé quatre résidus plus loin. On compte $3{,}6$ résidus par tour et un pas de $0{,}54$ nm le long de l'axe, soit $0{,}15$ nm par résidu. Les chaînes latérales pointent vers l'extérieur ;
• le feuillet $\beta$ : des segments étirés, côte à côte, liés par des liaisons hydrogène d'un brin à l'autre ;
• les coudes, qui changent la direction de la chaîne.

Une hélice $\alpha$ est une seule chaîne enroulée sur elle-même : rien à voir avec la double hélice de l'ADN, qui apparie deux brins différents.

Structure tertiaire : le repliement de la chaîne entière. Les éléments secondaires se replient les uns sur les autres, et ce repliement est tenu par des interactions entre chaînes latérales :

• l'effet hydrophobe, qui enfouit les résidus apolaires au cœur de la protéine ;
• des liaisons hydrogène entre chaînes latérales polaires ;
• des interactions ioniques entre résidus de charges opposées ;
• des ponts disulfure entre deux résidus cystéine, seules liaisons covalentes de ce niveau.

Structure quaternaire : l'assemblage de plusieurs chaînes. Elle n'existe que pour les protéines formées de plusieurs chaînes polypeptidiques ; l'hémoglobine, par exemple, assemble plusieurs chaînes, dont la $\beta$-globine. Une protéine d'une seule chaîne n'a pas de structure quaternaire.

La dénaturation. La chaleur, un pH extrême ou un agent chaotropique (comme l'urée concentrée) défont les structures secondaire, tertiaire et quaternaire : ils rompent les liaisons faibles — liaisons hydrogène, interactions ioniques, effet hydrophobe — qui tiennent la forme. Ils ne rompent pas les liaisons peptidiques, covalentes et bien plus solides. Une protéine dénaturée a perdu sa forme, et donc sa fonction, mais garde sa séquence. Rompre les liaisons peptidiques, c'est autre chose : une hydrolyse, qui demande une enzyme (protéase) ou des conditions chimiques bien plus dures.

Les ponts disulfure, covalents, résistent à une simple dénaturation par la chaleur ; on les rompt par un réducteur. Ce qui distingue les niveaux de structure, c'est donc la nature des liaisons, pas seulement leur nombre.

L'effet hydrophobe n'est pas une attraction. Les groupes apolaires ne s'attirent pas fortement entre eux. Ce qui les pousse à se regrouper au cœur de la protéine, c'est l'eau : autour d'un groupe apolaire exposé, les molécules d'eau sont contraintes dans un réseau ordonné de liaisons hydrogène ; en enfouissant ces groupes, la protéine libère ces molécules d'eau, et l'entropie de l'eau augmente. C'est un effet de solvant, piloté par l'entropie.

Une substitution, deux conséquences possibles. La séquence détermine la forme. Remplacer un seul résidu peut :

• passer inaperçu, si le résidu est en surface et que le remplaçant a des propriétés voisines ;
• déstabiliser tout le repliement, si le résidu est enfoui au cœur hydrophobe et que le remplaçant est polaire ou chargé, ou s'il empêche un pont disulfure. La drépanocytose montre une troisième voie : dans la $\beta$-globine ($146$ résidus), le remplacement d'un acide glutamique, chargé, par une valine, apolaire, rend l'hémoglobine modifiée capable de s'agréger quand l'oxygène manque. Un seul résidu sur $146$, et les globules rouges se déforment.

Ordres de grandeur de la chaîne. Avec une masse molaire moyenne d'environ $110\ \mathrm{g \cdot mol^{-1}}$ par résidu engagé dans une chaîne, une protéine de $38$ kDa ($38\,000\ \mathrm{g \cdot mol^{-1}}$) compte environ $\dfrac{38\,000}{110} \approx 345$ résidus. C'est une estimation : la composition réelle en acides aminés fait varier la masse moyenne d'un résidu.

Énoncé. Données : hélice $\alpha$, $3{,}6$ résidus par tour, pas de $0{,}54$ nm ; masse molaire moyenne d'un résidu $110\ \mathrm{g \cdot mol^{-1}}$ ; $M(\mathrm{H_2O}) = 18{,}0\ \mathrm{g \cdot mol^{-1}}$.

1. Un segment de $32$ résidus est replié en hélice $\alpha$. Quelle est sa longueur le long de l'axe ? Combien de tours fait-il ?
2. Une chaîne de $180$ résidus : estimer sa masse molaire en kDa, puis la masse d'eau libérée par la formation de ses liaisons peptidiques, par mole de chaîne.

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1. Montée par résidu. Un tour avance de $0{,}54$ nm et compte $3{,}6$ résidus : chaque résidu fait avancer l'hélice de $\dfrac{0{,}54}{3{,}6} = 0{,}15$ nm.

Le nombre de tours n'est pas entier : une hélice ne s'arrête pas nécessairement en fin de tour. Ce motif est secondaire : il est tenu par des liaisons hydrogène du squelette, entre le $\mathrm{C{=}O}$ d'un résidu et le $\mathrm{N{-}H}$ du résidu situé quatre rangs plus loin — pas par les chaînes latérales.

2. Niveau primaire. Masse estimée : $180 \times 110 = 19\,800\ \mathrm{g \cdot mol^{-1}}$, soit environ $19{,}8$ kDa. La chaîne porte $180 - 1 = 179$ liaisons peptidiques, chacune formée avec départ d'une molécule d'eau :

Ce calcul porte sur la liaison covalente du niveau primaire. La masse moyenne de $110$ g/mol est celle d'un résidu déjà engagé dans la chaîne (l'eau est déjà retirée) : on ne la retranche pas une seconde fois.

Lecture. Chaque nombre se rattache à un niveau et à sa liaison : la longueur et les tours à l'hélice (secondaire, liaisons hydrogène du squelette) ; la masse et l'eau à la séquence (primaire, liaison peptidique). Une dénaturation changerait la longueur de l'hélice (elle disparaîtrait), pas le nombre de liaisons peptidiques.

Figure (fig.chemistry.intermolecular-forces, figure programmatique de la leçon de première sur les interactions intermoléculaires, réutilisée ici parce qu'elle oppose exactement les deux familles de liaisons d'une protéine) : à gauche, des molécules d'eau dont les liaisons $\mathrm{O{-}H}$ sont des traits pleins (covalentes, environ $460$ kJ/mol) et les liaisons entre molécules des pointillés (liaisons hydrogène, environ $20$ kJ/mol) ; une molécule s'échappe à l'ébullition, avec la légende « les pointillés cèdent, les traits pleins tiennent ». À droite, la dissolution d'un sel ; en bas, une échelle de températures d'ébullition.

Pour cette leçon, transposez les deux traits.

• Les traits pleins sont la liaison peptidique (et les ponts disulfure) : covalents, ils tiennent la séquence.
• Les pointillés sont les liaisons hydrogène de l'hélice et du feuillet, et, avec les interactions ioniques et l'effet hydrophobe, celles qui tiennent le repliement tertiaire et l'assemblage quaternaire.
• L'ébullition qui défait les pointillés sans toucher aux traits pleins est l'image exacte de la dénaturation : la chaleur défait les niveaux secondaire, tertiaire et quaternaire, la séquence reste intacte. Un facteur de l'ordre de vingt sépare les deux énergies de la figure : c'est pourquoi une température qui déplie une protéine ne coupe pas sa chaîne.
• Le panneau de droite (l'eau qui s'organise autour des ions) rappelle que l'eau structure son entourage ; c'est cette organisation, autour des groupes apolaires, que l'effet hydrophobe supprime en les enfouissant.

Ce que la figure ne montre pas : une chaîne polypeptidique, l'hélice et son pas, et la différence entre liaisons hydrogène du squelette (secondaire) et liaisons hydrogène entre chaînes latérales (tertiaire) — même type de liaison, deux niveaux différents.