Les protéines sont de grosses molécules complexes qui remplissent un large éventail de fonctions dans les organismes vivants. Leur fonction est intimement liée à leur structure organisée en quatre niveaux distincts : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire.
Les quatre niveaux de structure des protéines
Structure principale
La structure primaire est la séquence linéaire d’acides aminés dans une chaîne polypeptidique. Chaque protéine possède une séquence unique déterminée par le gène correspondant. Même un seul changement d’acide aminé peut altérer la fonction de la protéine, comme on le voit dans l’anémie falciforme où une seule valine remplace un acide glutamique.
Structure secondaire
La structure secondaire fait référence aux structures repliées locales qui se forment au sein de la chaîne polypeptidique en raison de la liaison hydrogène entre les atomes du squelette. Les deux types les plus courants sont l’hélice alpha, une bobine droite stabilisée par des liaisons hydrogène entre un acide aminé sur quatre, et la feuille bêta, une structure plate et plissée formée par des liaisons hydrogène entre des segments polypeptidiques adjacents parallèles ou antiparallèles.
Structure Tertiaire
La structure tertiaire est la forme tridimensionnelle globale d’une seule chaîne polypeptidique. Elle est stabilisée par plusieurs types d’interactions entre les chaînes latérales : les interactions hydrophobes (les chaînes latérales non polaires se regroupent à l’intérieur de la protéine), les liaisons hydrogène entre les chaînes latérales polaires, les liaisons ioniques entre les chaînes latérales de charges opposées et les ponts disulfure (liaisons covalentes entre les résidus cystéine).
Structure Quaternaire
La structure quaternaire décrit comment plusieurs chaînes polypeptidiques s’assemblent en un complexe protéique fonctionnel. L’hémoglobine, par exemple, est composée de quatre sous-unités polypeptidiques – deux chaînes alpha et deux chaînes bêta – qui travaillent ensemble pour transporter l’oxygène.
Repliage des protéines
Les protéines se replient spontanément ou à l’aide de chaperons moléculaires dans leurs structures tridimensionnelles natives. Les protéines mal repliées peuvent former des agrégats et sont associées à des maladies telles que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Détermination et visualisation pratiques de la structure des protéines
Trois méthodes expérimentales principales déterminent les structures des protéines à résolution atomique. La cristallographie aux rayons X nécessite une protéine de haute pureté (> 95 %) concentrée à 5–20 mg/mL. Conditions de cristallisation au crible à l’aide de kits à matrice clairsemée (par exemple, Hampton Research) avec des essais de diffusion de vapeur en gouttes assises sur 96 puits. Optimisez les résultats en faisant varier le pH, la concentration du précipitant et la température. Montez un cristal de qualité de diffraction (0,1 à 0,5 mm) dans une cryo-boucle, refroidissez-le à 100 K dans de l’azote liquide et collectez des données de diffraction sur une ligne de lumière synchrotron. Traitez les données avec XDS ou iMosflm, résolvez le problème de phase par remplacement moléculaire (Phaser) en utilisant une structure homologue, construisez le modèle dans Coot et affinez-le avec phenix.refine. Résolution cible : <3,0 Å ; une bonne structure a Rwork/Rfree < 0,20/0,25. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) fonctionne pour les petites protéines (<30 kDa) à une concentration de 0,5 à 1 mM dans 10 % de D2O. Enregistrez les spectres 2D ¹⁵N-HSQC, 3D à triple résonance (HNCA, HNCO, CBCA(CO)NH) et NOESY pour les contentions à distance. Attribuez les résonances de la colonne vertébrale manuellement ou à l’aide d’un logiciel automatisé (par exemple, CARA, NMRFAM-SPARKY). Calculez les structures à partir des contraintes de distance et des angles dièdres dérivés de NOE à l’aide de CYANA ou Xplor-NIH. La microscopie cryoélectronique (cryo-EM) est la méthode de choix pour les grands complexes (>150 kDa). Appliquer 3 µL d’échantillon (0,1 à 1 mg/mL) sur une grille de carbone trouée à décharge luminescente, éponger pendant 3 à 4 secondes et plonger au congélateur dans de l’éthane liquide. Collectez des films sur un Titan Krios à 300 kV avec un détecteur K2 ou K3. Traitez avec RELION ou CryoSPARC via la correction de mouvement, l’estimation CTF, la sélection de particules (classification 2D), la reconstruction ab initio, la classification 3D et le raffinement haute résolution. Pour la visualisation de la structure, utilisez PyMOL ou ChimeraX pour charger des fichiers PDB. Affichez la protéine sous forme de dessins animés (coloration de la structure secondaire), de surfaces (potentiel électrostatique) ou de bâtons (résidus de sites actifs). Mesurez les distances, les angles et les liaisons hydrogène entre les atomes.
Application du monde réel
La protéine de pointe du SRAS-CoV-2 (ectodomaine de 150 kDa) a été résolue par cryo-EM à une résolution de 3,3 Å quelques mois après le début de la pandémie. La structure a révélé le domaine de liaison au récepteur (RBD) dans sa conformation « vers le haut » liée à ACE2, permettant la conception d’un vaccin basé sur la structure. La visualisation PyMOL de l’interface RBD-ACE2 a identifié les principaux résidus de contact (K417, N501, Y453), guidant le développement d’anticorps neutralisants.
