La structure chimique des protéines

Introduction

Les protéines sont au cœur du vivant. Elles participent à toutes les grandes fonctions de l’organisme : elles accélèrent les réactions biochimiques en tant qu’enzymes, transportent l’oxygène ou les nutriments, transmettent des signaux hormonaux, défendent l’organisme grâce aux anticorps et assurent la solidité des cellules et des tissus. Leur diversité de rôles repose sur leur structure chimique, c’est-à-dire la façon dont leurs acides α-aminés s’assemblent et s’organisent dans l’espace. Comprendre cette architecture permet de saisir comment les protéines remplissent leurs fonctions avec une précision remarquable.

Structure et organisation des acides α-aminés

Les acides α-aminés sont les briques de base des protéines. Chez l’être humain, ce sont 20 acides aminés protéinogènes qui, par leurs combinaisons, assurent la diversité et la spécificité des protéines. Leur formule générale repose sur un carbone $α$ lié à quatre groupements : une fonction amine ($–NH₂$), une fonction acide carboxylique ($–COOH$), un atome d’hydrogène ($–H$) et une chaîne latérale ($–R$) variable, qui confère à chaque acide aminé ses propriétés particulières.

La plupart des acides α-aminés possèdent un carbone asymétrique (ou carbone chiral) : il s’agit d’un atome de carbone lié à quatre substituants différents. Cette particularité introduit la notion de stéréochimie, autrement dit l’arrangement spatial des atomes. Elle engendre deux formes énantiomères, images miroir non superposables. On distingue ainsi les formes D et L, mais seuls les acides aminés de configuration L entrent dans la composition des protéines naturelles.

La glycine fait figure d’exception : sa chaîne latérale est un simple hydrogène, ce qui donne deux hydrogènes liés au carbone $α$. Ce carbone n’est donc pas asymétrique et la glycine n’est pas chirale. Cette singularité a des conséquences sur la flexibilité des protéines dans lesquelles elle est intégrée.

Pour représenter les acides aminés, deux conventions sont courantes : la projection de Cram, qui met en relief la perspective en trois dimensions, et la projection de Fischer, plus schématique, où la chaîne principale est verticale et les substituants latéraux disposés à l’horizontale.

À retenir

Les protéines humaines sont formées à partir de 20 acides aminés protéinogènes. La plupart sont chiraux, sauf la glycine, et se trouvent presque exclusivement sous forme L.

Peptides et liaison peptidique

Lorsque deux acides α-aminés se rencontrent, une réaction de condensation se produit : la fonction amine ($–NH₂$) de l’un réagit avec la fonction carboxyle ($–COOH$) de l’autre, libérant une molécule d’eau et formant une liaison peptidique ($–CO–NH–$). L’association de deux acides aminés donne un dipeptide, celle de plusieurs dizaines ou centaines d’unités constitue un polypeptide.

La liaison peptidique présente des propriétés particulières. Elle est plane et sa rotation est limitée en raison de son caractère partiellement double, dû à la résonance entre le groupement carbonyle ($C=O$) et le groupement amine ($N–H$). Cette limitation de rotation explique la rigidité de la liaison et conditionne directement la structure secondaire des protéines.

Pour reconnaître une liaison peptidique, on repère la fonction amide ($–CO–NH–$). Pour identifier les acides aminés constitutifs, on peut pratiquer une hydrolyse, qui rompt les liaisons peptidiques et libère les acides aminés initiaux.

À retenir

La liaison peptidique relie deux acides aminés par condensation. Son caractère partiellement double limite la rotation, ce qui influence directement le repliement des protéines.

Structure tridimensionnelle des protéines

La fonction d’une protéine dépend directement de sa structure tridimensionnelle. On distingue plusieurs niveaux d’organisation, qui se complètent pour donner à chaque protéine sa forme unique :

• La structure primaire correspond à l’ordre exact dans lequel les acides aminés sont enchaînés. Cette séquence est dictée par l’information génétique : l’ADN est transcrit en ARNm, qui est ensuite traduit en une chaîne d’acides aminés. Une mutation touchant la séquence codante d’un gène peut modifier un codon, changer un acide aminé dans la protéine et provoquer une maladie, comme dans la drépanocytose.

• La structure secondaire décrit les premiers pliages réguliers de la chaîne. Les plus fréquents sont l’hélice $α$, qui ressemble à un ressort, et le feuillet $β$, qui ressemble à des rubans parallèles. Ces motifs sont stabilisés par des liaisons hydrogène entre les groupes $–CO$ et $–NH$ du squelette peptidique, et non par les chaînes latérales. Cette distinction est essentielle pour comprendre la régularité de ces structures.

• La structure tertiaire correspond au repliement global de la chaîne dans l’espace. Elle donne à la protéine sa forme finale en trois dimensions. Ce repliement est stabilisé par divers types d’interactions : des liaisons hydrogène, des ponts disulfure entre cystéines, des liaisons ioniques (ou ponts salins) entre chaînes latérales chargées, et surtout des interactions hydrophobes. Ces dernières jouent un rôle central dans le cytoplasme aqueux : les parties non polaires de la protéine se regroupent spontanément vers l’intérieur, à l’abri de l’eau, ce qui favorise son repliement spontané.

• Enfin, la structure quaternaire, lorsqu’elle existe, correspond à l’association de plusieurs chaînes polypeptidiques. L’exemple emblématique est l’hémoglobine, composée de quatre sous-unités, qui transporte l’oxygène dans le sang.

On peut visualiser ces interactions comme les coutures d’un vêtement : elles maintiennent la forme et garantissent que la protéine conserve sa fonction.

À retenir

La structure tridimensionnelle est le résultat d’une organisation en plusieurs niveaux : séquence génétique (primaire), motifs réguliers (secondaire), repliement stabilisé par de multiples interactions (tertiaire), et éventuelle association de sous-unités (quaternaire).

Conclusion

Les protéines sont constituées d’acides α-aminés unis par des liaisons peptidiques. Leur activité dépend de leur organisation tridimensionnelle, qui va de la séquence dictée par les gènes jusqu’au repliement final et à l’association de plusieurs chaînes. Cette architecture explique la diversité de leurs fonctions : catalyser des réactions, transporter des molécules, transmettre des signaux ou assurer un rôle structural.

Mais les protéines sont sensibles : elles peuvent perdre leur forme et donc leur fonction lors d’une dénaturation. Celle-ci peut être due à la chaleur (comme lors de la cuisson d’un œuf, où l’ovalbumine se coagule), à une variation extrême de pH ou à certains agents chimiques. Dans l’organisme, une température très élevée, comme lors d’une hyperthermie sévère, peut altérer le fonctionnement normal de certaines protéines enzymatiques.