Protéines
Vue d'ensemble

Les protéines assurent une très grande diversité de fonctions :

• structure des cellules et des organismes,
• catalyse des réactions métaboliques par les enzymes,
• transport de molécules et d'ions,
• production de forces et de mouvements,
• signalisation et régulation cellulaires,
• défense de l'organisme.

Structure des protéines

On distingue classiquement quatre niveaux d'organisation structurale des protéines.

1. La structure primaire correspond à la séquence linéaire des résidus d'acides aminés, d'une chaîne polypeptidique, reliés entre eux par des liaisons peptidiques.

Cette séquence est déterminée par l'information génétique portée par l'ADN et conditionne les niveaux supérieurs d'organisation de la protéine.

2. La structure secondaire correspond à des repliements locaux et réguliers de la chaîne polypeptidique, comme les hélices α, les feuillets β (β-sheets), les coudes (β-turns)…

Ces structures sont principalement stabilisées par des liaisons hydrogène. entre les groupements du squelette polypeptidique.

3. La structure tertiaire correspond à l'organisation tridimensionnelle globale d'une chaîne polypeptidique résultant notamment des interactions entre ses différents résidus d'acides aminés.

• Elle est stabilisée par différentes interactions, notamment hydrophobes, ioniques et hydrogène, ainsi que, dans certaines protéines, par des ponts disulfure.
• Une même chaîne polypeptidique peut comporter un ou plusieurs domaines protéiques, unités structurales et fonctionnelles étudiées dans des chapitres spécifiques.

4. La structure quaternaire correspond à l'association de plusieurs chaînes polypeptidiques, appelées sous-unités, pour former une protéine multimérique.

Ces sous-unités sont généralement associées par des interactions non covalentes et peuvent, dans certains cas, être reliées par des liaisons covalentes.

Classification des protéines

Les protéines peuvent être regroupées en trois grands types selon leur forme, leur solubilité et leur environnement.

Cette classification est très simplifiée car les protéines peuvent également être classées selon de nombreux autres critères, notamment leur fonction, leur composition, leur localisation cellulaire, leur structure ou leur appartenance à des familles présentant des caractéristiques communes.

Famille de protéines	Forme	Fonctions principales	Solubilité (eau)	Exemples typiques
Fibreuses (sléroprotéines)	Allongée, filamenteuse	Soutien, résistance, structure	Peu solubles	Collagène, kératine, élastine
Globulaires (sphéroprotéines)	Compacte, sphérique	Catalyse, transport, régulation, défense	Généralement solubles	Enzymes, hémoglobine, anticorps, insuline
Membranaires	Insérées dans les membranes	Transport membranaire, signalisation, ancrage	Peu solubles	Récepteurs, canaux ioniques, pompes ioniques

Métabolisme des protéines

1. Les acides aminés nécessaires à la synthèse des protéines proviennent :

• de l'alimentation après digestion des protéines, apport indispensable pour les acides aminés essentiels qui ne peuvent pas être synthétisés par l'organisme, chez l'homme, histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane et valine,
• du renouvellement et de la dégradation des protéines cellulaires,
• de la biosynthèse des acides aminés non essentiels.

2. La biosynthèse des protéines, synthèse des protéines ou protéogenèse, permet la production de chaînes polypeptidiques à partir d'acides aminés selon l'information génétique portée par l'ADN.

a. Elle comprend schématiquement :

• la transcription de l'ADN en ARN messager (ARNm),
• la traduction de l'ARNm par les ribosomes, qui assemble les acides aminés en une chaîne polypeptidique, traduction qui s'effectue sur des ribosomes libres dans le cytosol ou sur des ribosomes associés à la face cytosolique du réticulum endoplasmique rugueux (RER), selon la destination des protéines,

b. Les protéines nouvellement synthétisées doivent ensuite acquérir leur structure fonctionnelle et, selon les protéines, leur maturation peut notamment comprendre :

• le repliement de la chaîne polypeptidique, spontanément ou avec l'aide de chaperonnes moléculaires,
  • le repliement des protéines synthétisées sur les ribosomes libres s'effectue principalement dans le cytosol,
  • celui des protéines qui empruntent la voie sécrétoire s'effectue dans la lumière du réticulum endoplasmique (RE), où elles sont notamment prises en charge par des chaperonnes et soumises à un contrôle de qualité,
• l'assemblage éventuel de plusieurs chaînes polypeptidiques en protéines multimériques, comme l'hémoglobine, ou de plusieurs protéines associées en complexes protéiques, comme les complexes respiratoires ou les complexes cycline-CDK…,
• différentes modifications post-traductionnelles,
• leur adressage vers leur compartiment de destination.

3. La dégradation (protéolyse) et le renouvellement des protéines permettent d'éliminer les protéines endommagées, mal repliées ou devenues inutiles et de recycler leurs acides aminés.

a. La dégradation intracellulaire des protéines repose principalement sur  :

• le système ubiquitine-protéasome (UPS), qui assure notamment la dégradation sélective de nombreuses protéines cytosoliques et nucléaires,
• les lysosomes, qui dégradent notamment des protéines apportées par les voies endocytaires ou par autophagie.

b. D'autres voies de protéolyse font intervenir différentes familles de protéases selon les protéines, les compartiments cellulaires et les conditions physiologiques ou pathologiques considérés ( voies principales de protéolyse).