C’est quoi une protéine?

UNE DÉFINITION

Les protéines sont des molécules essentielles à la construction et au fonctionnement de tous les organismes, des bactéries aux êtres humains, en passant par les plantes et les virus.

On peut les comparer à des ouvrières spécialisées: elles sont très dynamiques, elles interagissent les unes avec les autres et assurent presque toutes les fonctions indispensables à la vie d’un organisme.

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Une protéine, ça sert à quoi?

TRANSPORTER…

Plus de 2’000 protéines humaines sont impliquées dans une fonction de transport (source UniProtKB).

La protéine hémoglobine, par exemple, transporte l’oxygène que nous respirons depuis nos poumons jusqu’aux autres organes.

Dans notre sang, chaque globule rouge contiendrait environ 250 millions de protéines hémoglobine.

 

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défendre...

Lorsqu’un agent infectieux entre dans notre organisme (virus, champignon, bactérie ou parasite), il est reconnu comme «corps étranger» par notre système immunitaire.

Notre organisme va alors produire des protéines appelées anticorps, qui vont reconnaître ces agents infectieux et permettre leur élimination.

Les anticorps jouent également un rôle important dans l’élimination des cellules cancéreuses.

Plusieurs centaines de protéines différentes sont impliquées dans la défense de notre organisme (source UniProtKB).

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SOUTENIR… 

Des protéines assurent le maintien et la cohésion de nos tissus.

L’une d’elle, le collagène, joue un rôle important dans la structure des os, des cartilages et de la peau. Il existe une cinquantaine de protéines collagène différentes (source UniProtKB).

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CATALYSER...

Les enzymes sont des protéines qui favorisent des réactions chimiques.

Par exemple, lors de la digestion, les aliments sont coupés par des enzymes pour pouvoir être assimilés par notre organisme. La pepsine coupe les protéines, la lipase coupe certaines graisses, la lactase coupe le lactose, etc.

D’autres enzymes sont impliquées dans la réparation de l’ADN, comme par exemple la protéine BRCA1, ou dans la production des signaux de la douleur, comme par exemple la protéine COX2.

Notre organisme produit plus de 4’300 enzymes différentes (source UniProtKB). Et il en reste encore beaucoup à découvrir!

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UNE PROTÉINE, ÇA RESSEMBLE À QUOI?

On peut comparer une protéine à un collier dont les perles seraient des molécules appelées acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents, symbolisés par des lettres: L, A, T, V, K… L’ordre dans lequel se succèdent les acides aminés s’appelle la séquence d’une protéine.

Chaque “collier protéine” se replie sur lui-même adoptant ainsi une structure tridimensionnelle qui lui est propre et qui dépend de la séquence en acides aminés. Cette structure 3D est très importante pour la fonction de la protéine.

La séquence en acides aminés de chaque protéine est différente. Les protéines ont également des longueurs très variables – de 10 à 30’000 acides aminés. La titine est la protéine avec la séquence la plus longue (source UniProtKB).

 

La taille des protéines

Les protéines sont trop petites (de 100 à 1’000 angströms) pour pouvoir être vues directement avec des microscopes.

Il existe néanmoins plusieurs techniques bioinformatiques qui permettent de visualiser la structure 3D d’une protéine, comme par exemple la modélisation moléculaire.

Une représentation de la structure 3D de la protéine BRAF, telle que les scientifiques peuvent la visualiser avec l’aide d’outils bioinformatiques.

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Où et comment sont fabriquées les protéines?

LES CELLULES: DES FABRIQUES DE PROTÉINES

Les protéines sont fabriquées à l’intérieur de chacune de nos cellules.

Un être humain est constitué d’environ 100’000 milliards de cellules ayant chacune un rôle bien défini selon qu’il s’agisse d’une cellule du sang, du cerveau, du muscle, du cœur ou encore de la peau.

Chaque cellule fabrique les protéines selon ses besoins et ceux de notre organisme.

Par exemple, certaines cellules du sang fabriquent l’hémoglobine pour transporter l’oxygène dans le corps, les cellules du cerveau fabriquent la myéline qui a un rôle de protection des neurones ou les cellules de nos yeux fabriquent des protéines qui nous aident à voir.

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COMMENT SONT FABRIQUÉES LES PROTÉINES?

Chaque cellule produit les protéines dont elle a besoin en utilisant l’information génétique retrouvée dans les gènes correspondants.

Environ 20’000 gènes, répartis sur nos 23 paires de chromosomes, sont des recettes de base pour fabriquer plus de 1’000’000 de protéines différentes.

 

 

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L’ADN, SUPPORT DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE

Chaque chromosome peut être comparé à une pelote extrêmement compacte dont le fil serait l’ADN. L’ADN est constitué d’une succession de molécules appelées nucléotides. Il existe 4 nucléotides différents, symbolisés par les lettres a pour adénine, c pour cytosine, g pour guanine et t pour thymine.

L’ADN du chromosome 7, par exemple, est composé d’environ 159 millions de nucléotides et contient plus de 900 gènes (source GenBank).

LES GÈNES, DES RECETTES POUR FABRIQUER LES PROTÉINES

Les gènes sont des morceaux d’ADN de longueurs variables.

Le gène qui code pour la protéine insuline a une longueur d’environ 4’000 nucléotides (source GenBank).

Le plus long gène humain est composé de 2’400’000 nucléotides: il code pour une protéine du muscle appelée dystrophine.

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DU GÈNE À LA PROTÉINE

Lorsque la cellule doit fabriquer une protéine, elle va tout d’abord «photocopier» la recette contenue dans le gène correspondant. Cette copie est faite par une protéine appelée ARN polymérase.

La copie, appelée ARN messager, va être transmise aux ribosomes, de gros complexes moléculaires qui sont des machines à fabriquer des protéines.

Le ribosome «lit» les instructions contenues dans l’ARN messager et construit ainsi progressivement la protéine, ajoutant les acides aminés les uns à la suite des autres.

Un ribosome assemble entre 10 et 20 acides aminés par seconde (source).

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Des nucléotides aux acides aminés...

Les scientifiques ont dû faire preuve de beaucoup d’imagination pour comprendre comment la cellule utilise l’information contenue dans l’ADN pour fabriquer une protéine. Il leur a fallu une dizaine d’années  – après la découverte de la structure de l’ADN en 1953 – pour trouver le «code génétique».

«…une énigme biochimique – la relation entre l’ADN (4 nucléotides) et les protéines (20 acides aminés) – a été réduite à un problème abstrait de manipulation des symboles. […] Le but était d’établir une correspondance mathématique entre des messages écrits dans deux alphabets différents.» (source).

LE CODE GÉNÉTIQUE

Voici une représentation du code génétique, qu’il faut lire en partant depuis le milieu vers l’extérieur.

Trois nucléotides (codon) correspondent à un acide aminé.

Ainsi, le codon gtg code pour l’acide aminé V (Valine), et le codon gag code pour l’acide aminé E (Glutamate).

À noter que des codons différents peuvent coder pour un même acide aminé: par exemple, les codons gaa et gag codent pour l’acide aminé E (Glutamate). On dit que le code génétique est redondant.

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TOUTES CES LETTRES QU’IL NE FAUT PAS CONFONDRE…

Une protéine est constituée d’une succession d’acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents, symbolisés par les lettres A, C, D, E, F, G, H, I, K, L, M, N, P, Q, R, S, T, V, W et Y.
A pour Alaline, C pour Cystéine, G pour Glycine, T pour Thréonine, …!

L’ADN est constitué d’une succession de nucléotides. Il existe 4 nucléotides différents, symbolisés par les lettres a, c, g et t.
a pour adénine, c pour cytosine, g pour guanine et t pour thymine!

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COMBIEN DE PROTÉINES DANS UNE CELLULE?

Le génome de chaque cellule humaine contient environ 20’000 gènes, 20’000 recettes de base pour fabriquer environ 1 million de protéines différentes.

Chaque cellule ne fabrique que les protéines dont elle a besoin. Une cellule humaine contiendrait en moyenne 10’000 protéines différentes, dont le nombre varie de 100 copies à 10 millions de copies! (source, vidéo, Molecular Art – Molecular Science).

 

 

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Protéines et maladies

 

 

 

 

 

UNE MALADIE (CAS 1): DES PROTÉINES QUI DYSFONCTIONNENT

Le site fonctionnel d’une protéine est altéré suite à une mutation.

Un changement dans la séquence ADN d’un gène peut modifier la séquence en acide aminé de la protéine. La protéine ainsi altérée change de forme et peut, par exemple, devenir trop active ou ne plus interagir avec d’autres protéines. Les processus biologiques dans lesquelles cette protéine est impliquée vont alors dysfonctionner.

Exemple 1: lorsque la protéine CFTR est altérée, elle ne peut plus transporter le chlore. Cette protéine altérée est la cause de la mucoviscidose. Plus de 4’200 protéines humaines – lorsqu’elles sont altérées – sont associées avec des maladies génétiques (source UniProtKB).

Exemple 2: lorsque la protéine BRAF est altérée, elle ne contrôle plus la division des cellules, ce qui peut conduire à un cancer. On estime à plusieurs centaines le nombre de protéines qui, lorsqu’elles sont altérées, sont impliquées dans le cancer.

Une maladie (cas 2): trop ou trop peu de protéines

Une modification du taux d’expression d’une protéine peut également être à l’origine d’un processus biologique défectueux et donc d’une maladie.

Exemple 1: lorsque la protéine COX2 est trop abondante (ou trop active, les biologistes ne le savent pas encore), elle produit un excès de signaux de douleur.

Exemple 2: lorsqu’une bactérie ou un virus pénètre dans notre organisme, nous sommes envahis par des protéines bactériennes ou virales.

Exemple 3: certaines personnes diabétiques ne fabriquent pas assez de protéine insuline.

 

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Protéines et médicaments

Un médicament cible le plus souvent une protéine ayant un rôle primordial dans les causes ou les symptômes d’une maladie.

L’interaction du médicament avec la protéine, à l’image d’une clé dans une serrure, permet de rétablir la fonction biologique. Il est ainsi possible de soigner les causes ou d’atténuer les symptômes de la maladie.

L’ibuprofen (en rouge), un médicament anti-douleur, emboîté dans la protéine COX2 (vue en coupe). L’interaction de l’ibuprofen avec la protéine empêche cette dernière de produire des signaux de la douleur.

Un médicament anti-cancer emboîté dans la protéine BRAF altérée (vue en coupe). L’interaction de ce médicament avec la protéine bloque l’activité de cette dernière et bloque ainsi la division des cellules.

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