Acides aminés et protéome

Acides aminés

Les protéines sont des macromolécules (poids médian de 40 000 daltons) impliquées dans la majorité des processus biologiques avec des rôles très variés. La fonction d’une protéine est le résultat de sa composition chimique et sa structure tridimensionnelle. Les protéines sont composées de l’association d’acides aminés à la différence de l’ADN et de l’ARN qui sont constitués d’acides nucléiques (Figure 1).

Figure 1 – Juxtaposition des acides nucléiques (composants de l’ADN et de l’ARN) et des acides aminés (composants des protéines). Les 20 acides aminés présentés sont les plus courants. Les deux figures ont été extraites de Wikipédia.
Figure 1 – Juxtaposition des acides nucléiques (composants de l’ADN et de l’ARN) et des acides aminés (composants des protéines). Les 20 acides aminés présentés sont les plus courants. Les deux figures ont été extraites de Wikipédia.

Les 21 acides aminés présentés Figure 1 sont les plus communs et nous les retrouvons dans tous les organismes vivants (de la levure à l’humain en passant par les archées). Les acides aminés sont regroupés en grandes fonctions chimiques : polaires non-chargés, apolaires, aromatiques, chargés positivement et chargés négativement. Chaque acide aminé partage deux groupements séparés par un carbone : un groupement carboxyle (COOH – acide) et un groupement amine (NH3 – aminé). Il s’agit du squelette des acides aminés. Ce qui différentie les acides aminés est la chaine latérale (-R).

Figure 2 – Organisation générale d'un acide aminé.
Figure 2 – Organisation générale d'un acide aminé.

Synthèse des protéines

Lors de la synthèse d’une protéine, le ribosome va recruter des acides aminés et les connecter entre eux suivant la séquence de l’ARNm. Si vous souhaitez en savoir plus sur la synthèse des protéines, de nombreuses vidéos explicatives sont disponibles en ligne comme la vidéo suivante :

Deux acides aminés sont connectés par une liaison peptidique faisant intervenir le groupement carboxylique d’un des deux acides aminés à connecter et le groupement amine de l’autre acide aminé à connecter (Figure 2). À noter qu’une fois liés, nous ne parlons plus d’acides aminés mais de résidus. L’association de tous les acides aminés aboutit à la formation d’un polypeptide puis d’une protéine. Une fois ce polypeptide replié dans une forme tridimensionnelle et après d’éventuelles modifications post traductionnelles, nous obtenons une protéine.

Figure 3 – Formation d'une liaison peptidique entre deux acides aminés. Cette illustration est Inspirée de la figure 13.7 du manuel Chimie pour l'inhalothérapie de Sophie Maheu.
Figure 3 – Formation d'une liaison peptidique entre deux acides aminés. Cette illustration est Inspirée de la figure 13.7 du manuel Chimie pour l'inhalothérapie de Sophie Maheu.

Protéome

Le protéome correspond à l’ensemble des protéines exprimées synthétisées à partir de l’expression du génome, à un moment donné, pour une condition donnée. Peu de temps après la première définition du protéome (1995), R. Joubert-Caron et M. Caron ont proposé 3 arguments en faveur de son étude (Joubert-Caron et al. 1999) :

  • Les niveaux d’expression des protéines et les niveaux d’expression des ARNm sont faiblement corrélés – De nombreuses études sont publiées sur le sujet (Bathke et al. 2019; Lemée et al. 2018; Y. Bai et al. 2015) ;
  • De nombreuses modifications ont lieux avant d’obtenir la protéine définitive – De nombreuses étapes permettent de passer d’un gène à la protéine. À chacune de ces étapes, des évènements peuvent entrainer des modifications. Les protéines peuvent subir des modifications traductionnelles (hydrolyse) et post-traductionnelles (phosphorylation, glycosylation, etc.) et changer de conformation dans l’espace. Le nombre de protéines distinctes pouvant se trouver dans la cellule dépasse largement le nombre de protéines prévues par transcription puis traduction des gènes informatiquement (Walsh et al. 2005). En prenant l’Humain comme exemple, nous estimons que le génome est composé de 20 000 à 25 000 gènes alors que le nombre de protéines différentes dépasserait le million (Ponomarenko et al. 2016) (Figure 4). Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressé aux modifications post-traductionnelles.
  • La composition due protéome est extrêmement dynamique. Ainsi, Le même génome peut ainsi conduire à différents protéomes en fonction des étapes du cycle cellulaire ou de la différenciation, de la réponse à des signaux biologiques ou physiques, de l’état physiopathologique de la cellule, etc. Au point que le nombre de protéines présentes dans une cellule à un moment donné peut varier énormément. Iil a été montré chez S. cerevisiae que le nombre de protéines individuelles par cellule peut varier de quelques milliers à quelques millions (Ho et al. 2018).Pour mieux comprendre ces variations, il est indispensable de décrire précisément les conditions expérimentales et les lieux de prélèvement. Le protéome reflète les répercussions de ces événements cellulaires tant au niveau traductionnel que post-traductionnel. De ce point de vue, seule une analyse protéique directe peut donner une image globale des systèmes biomoléculaires dans leur complexité.
Figure 4 – De nombreuses modifications se produisent entre le génome et le protéome. L’accumulation de toutes ces modifications augmente considérablement la complexité du protéome. Cette illustration est extraite du site de <a href='https://www.thermofisher.com/fr/fr/home/life-science/protein-biology/protein-biology-learning-center/protein-biology-resource-library/pierce-protein-methods/overview-post-translational-modification.html' target='_blank'>Thermo Fishier scientific.</a>
Figure 4 – De nombreuses modifications se produisent entre le génome et le protéome. L’accumulation de toutes ces modifications augmente considérablement la complexité du protéome. Cette illustration est extraite du site de Thermo Fishier scientific.