Les Protéines : Objet biologique, Objet physique

Les Protéines : Objet biologique, Objet physique 

Le corps humain contient 60 000 milliards de cellules et dix fois autant de bactéries. Environ. Et on se laisse encore impressionner par le nombre d’étoiles dans le ciel. Francis Dannemark

Objet central de la biologie moléculaire, les protéines sont les principales molécules organiques présentes dans les cellules. Leurs fonctions couvrent pratiquement l’ensemble des opérations réalisées au sein d’un organisme, depuis le mouvement de l’individu jusqu’à la synthèse. . . des protéines. D’un point de vue chimique, une protéine est un hétéro-polymère linéaire constitué d’une simple chaîne dont les blocs – ou monomères – sont appelés acides aminés. Si la chaîne est courte, on préférera parler de peptide, réservant le terme de protéine pour les chaînes de plus de 50 acides aminés. Figure 1: Structure générale d’un acide aminé. Chaque acide aminé est constitué de trois éléments : une amine, un carbone central, ou carbone α, qui porte la chaîne latérale aussi appelé résidu et un groupement carboxyle. La polymérisation est constituée de la formation d’un amide entre l’amine d’un acide aminé et le groupe carboxyle du suivant. Comme seul le résidu varie d’un élément à l’autre, c’est ce dernier qui sert à classifier la vingtaine d’acides aminés présents dans l’ensemble du vivant.

Determination expérimentale de la structure tertiaire 

Connaître en détail la structure d’une protéine constitue souvent un véritable défi technologique et un enjeu de taille pour les biologistes. Les deux principales méthodes actuellement utilisées sont la cristallographie et la spectroscopie RMN.

Ces deux méthodes complémentaires présentent cependant de nombreuses questions quand à la validité de leurs résultats. La cristallographie, par exemple, demande de produire un cristal de protéines, ce qui n’est possible qu’à de très fortes concentrations et à des température inférieures à celles présentes dans le vivant. La spectroscopie travaille quand à elle sur des échantillons très purifiés et relativement  dilués. Dans ces deux cas, les conditions sont très éloignées de celles présentes dans la cellule vivante et la conformation que la protéine adopte alors pourrait être très éloignée de sa forme fonctionnelle, même si de nombreux indices laissent à penser que les informations ainsi récoltées sont exactes dans une large mesure. De plus, certaines protéines peuvent avoir plusieurs conformations correspondant par exemple à des formes actives ou inactives ; ou encore rester dépliées au sein de la cellule, ce qui élimine la cristallographie et rend la spectroscopie difficile.

La détermination de la structure tri-dimensionnelle n’est ce-pendant pas la fin de l’histoire. En effet, les protéines remplissent différent rôles au sein de l’organisme et pouvoir expliquer et quantifier le rôle de chaque protéine demande un travail plus important encore. Il faut en effet comprendre la façon dont la protéine remplit cette fonction. Par exemple, dans le cas d’une enzyme, quel est son site de liaison, quels acides aminés sont nécéssaires à l’activité de réaction, y a t-il un changement de conformation, etc.

Cristallographie : Diffraction par rayon X 

La diffraction par rayon X (DRX) est l’une des principales méthodes de cristallographie utilisées pour obtenir des informations sur la structure tridimensionnelle des protéines. Dans la pratique, on commence par préparer un cristal de protéine en refroidissant un échantillon purifié d’une solution à forte concentration de protéines. Puis on éclaire l’échantillon par une très brève impulsion d’un rayonnement de petite longueur d’onde qui va, par diffraction donner des informations sur la structure de la protéine via le facteur de forme. L’impulsion doit être brève car l’échantillon chauffe rapidement ce qui provoque la fonte du cristal et brouille rapidement la mesure. Ceci signifie aussi que la mesure est destructive et que chaque mesure demande de produire un nouveau cristal. Cette méthode permet d’accéder en premier lieu à la symétrie de la protéine, mais nécessite ensuite un important travail d’analyse pour remonter à la structure et enfin au modes de vibration de cette dernière. En particulier, la détermination du facteur B (ou facteur de Debye-Waller) lié au bruit thermique permet dans le cas des protéines de déterminer les fluctuations de chaque résidu autour de sa position d’équilibre et donc d’accéder à la stabilité de la protéine ainsi qu’à ses principaux modes et mouvements. Ces informations peuvent alors être utilisées pour obtenir une idée plus précise de la structure, mais fournissent aussi des indices sur la façon dont la protéine peut réaliser sa fonction.

Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire 

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) permet d’obtenir des informations sur l’environnement électronique des protons le long de la séquence d’acides aminés. On construit ainsi petit à petit la structure en reliant la séquence connue aux informations spectrales tirées de la spectroscopie. Cette méthode, contrairement à la cristallographie, étudie donc directement la structure locale de la protéine. Dans le cas de protéines de grandes tailles où de nombreux protons présentent un environnement similaire, on aura parfois recours à un marquage isotopique sur certaines positions pour pallier à cet écueil.

Dynamique Moléculaire 

L’approche la plus naturelle pour étudier la dynamique de repliement des protéines fait appel à la Dynamique Moléculaire (DM), c’est-à-dire la description déterministe et plus ou moins détaillée de la molécule et de ses différentes interactions afin d’en déduire les forces s’exerçant sur les différentes parties et d’en prédire le mouvement. Pour commencer, il faut choisir un niveau de description de la protéine allant de la simulation complète : la simulation tousatomes (où chaque atome est représenté avec ses liaisons et ses interactions ), jusqu’au modèle fortement décimé utilisant un seul élément pour chaque acide aminé, voire moins. Cette méthode est donc confrontée à un choix cornélien entre la volonté d’obtenir des informations réalistes et extrêmement détaillées d’une part et les possibilités de calculs envisageables d’autre part. Dans les deux cas, notons cependant que ce type de simulation demande de connaître de façon quantitative l’ensemble des interactions élémentaires de la protéine, c’est-à-dire les interactions des atomes ou des acides aminés entre eux par exemple, mais aussi l’influence du solvant et des éventuelles ions présents, etc.

Que faire d’une protéine repliée ? 

Aussi complexe que soit le problème du repliement, ce n’est pas le seul que posent les protéines. L’objectif final étant d’une part d’être capable de déterminer la fonction d’une protéine à partir de sa séquence primaire, d’autre part de concevoir des protéines capables de remplir une tache précise dans un organisme vivant. Au nombre des étapes qu’il nous reste à franchir pour comprendre l’architecture des protéines, citons donc la réalisation de la fonction, les moyens mis en oeuvre par ces dernières pour résister aux mutations et enfin la façon dont l’on pourrait construire une protéine synthétique de novo.

Élucider la fonction 

Une fois repliée, chaque protéine doit désormais être capable de remplir sa ou ses fonctions biologiques, fonctions qui, on l’a vu, sont pour le moins variées. Chaque fonction devra sans doute être comprise séparément tant la diversité des rôles joués par la protéine est importante. Comprendre le lien entre la nature des acides aminés et la fonction de la protéine est à la fois intriguant et capital pour être capable de modifier les fonctions de protéines naturelles.

Finalement, l’un des objectifs de l’étude des protéines est d’être capable d’effectuer un lien direct et dans les deux sens entre la séquence d’acides aminés et la fonction. On peut espérer ainsi produire des protéines synthétiques capables d’agir de façon précise dans des régions particulières : venir dégrader de façon spécifique un ensemble d’antigènes dans un organisme, palier une voix métabolique déficiente ou, dans un premier temps, fournir de nouvelles formes de produits chimiques destinés à une utilisation industrielle ou particulière (détergents protéiques par exemple).

Pour arriver à produire des protéines destinées à une utilisation médicale, il reste toutefois un problème de taille à résoudre : comprendre et quantifier l’importance de la sélection négative et des interactions parasites. Un organisme vivant comporte en effet, des milliers de protéines, de fragments d’ADN et d’ARN et d’autres molécules rendant extrêmement difficile une action ponctuelle. Pour introduire un nouvel élément, il n’est pas seulement nécéssaire de s’assurer qu’il remplit efficacement son rôle mais aussi qu’il ne perturbe pas excessivement les mécanismes déjà en place dans la cellule. Comprendre et déterminer les principales caractéristiques de ce système hautement frustré sera peut-être le prochain défi de la biologie moléculaire.

Table des matières

Introduction
I Position & contexte
Les Protéines : Objet biologique, Objet physique
Les Modèles Gaussiens Élastiques
Évolution naturelle et algorithmique
Modèles d’évolution de protéines
Corrélations, secteurs, comment lire une séquence ?
II Travaux personnels
Protéines parcimonieuses et modulaires
Modèle à une colonne
Évolution d’un modèle d’allostérie
Un système robuste au détail
Émergence de modularité
Secteurs : Croiser les points de vue
Critiques et développement
III Perspectives
Perspectives
IV Appendices
Conclusion
Quelques réflexions sur la notion de fitness
Lien avec le modèle de verre de spin gaussien
Bibliographie

Télécharger le rapport complet