Métabolisme des protéines - Protein metabolism
Le métabolisme des protéines désigne les différents processus biochimiques responsables de la synthèse des protéines et des acides aminés (anabolisme), et de la dégradation des protéines par catabolisme .
Les étapes de la synthèse des protéines comprennent la transcription, la traduction et les modifications post-traductionnelles. Lors de la transcription, l' ARN polymérase transcrit une région codante de l'ADN dans une cellule produisant une séquence d'ARN, en particulier l'ARN messager (ARNm). Cette séquence d'ARNm contient des codons : 3 segments nucléotidiques longs qui codent pour un acide aminé spécifique. Les ribosomes traduisent les codons en leurs acides aminés respectifs. Chez l'homme, les acides aminés non essentiels sont synthétisés à partir d'intermédiaires dans les principales voies métaboliques telles que le cycle de l'acide citrique . Les acides aminés essentiels doivent être consommés et sont fabriqués dans d'autres organismes. Les acides aminés sont reliés par des liaisons peptidiques formant une chaîne polypeptidique. Cette chaîne polypeptidique subit ensuite des modifications post-traductionnelles et est parfois jointe à d'autres chaînes polypeptidiques pour former une protéine entièrement fonctionnelle.
Les protéines alimentaires sont d'abord décomposées en acides aminés individuels par diverses enzymes et acide chlorhydrique présents dans le tractus gastro-intestinal. Ces acides aminés sont absorbés dans la circulation sanguine pour être transportés vers le foie et ensuite vers le reste du corps. Les acides aminés absorbés sont généralement utilisés pour créer des protéines fonctionnelles, mais peuvent également être utilisés pour créer de l'énergie.
Les protéines peuvent être dégradées par des enzymes appelées peptidases ou peuvent être dégradées par dénaturation . Les protéines peuvent se dénaturer dans des conditions environnementales pour lesquelles la protéine n'est pas faite.
Synthèse des protéines
L'anabolisme des protéines est le processus par lequel les protéines sont formées à partir d'acides aminés. Il repose sur cinq processus : la synthèse des acides aminés , la transcription , la traduction , les modifications post-traductionnelles et le repliement des protéines . Les protéines sont fabriquées à partir d'acides aminés. Chez l'homme, certains acides aminés peuvent être synthétisés en utilisant des intermédiaires déjà existants. Ces acides aminés sont appelés acides aminés non essentiels. Les acides aminés essentiels nécessitent des intermédiaires non présents dans le corps humain. Ces intermédiaires doivent être ingérés, principalement en mangeant d'autres organismes.
Synthèse d'acides aminés
| Acide aminé | Groupe R ‡ | Parcours * |
| Glycine | H- | Sérine + THF → Glycine ( hydroxyméthyltransférase ) |
| Alanine | CH 3 - | Pyruvate → Alanine ( aminotransférase ) |
| Valine § | (CH 3 ) 2 -CH- | Hydroxyéthyl-TPP + Pyruvate → -acétolactate → Valine |
| Leucine § | (CH 3 ) 2 -CH-CH 2 - | Hydroxyéthyl-TPP + Pyruvate → α-cétobutyrate → Leucine |
| Isoleucine § | CH 3 -CH 2 -CH(CH 3 )- | Hydroxyéthyl-TPP + Pyruvate → α-acétolactate → Isoleucine |
| Méthionine § | CH 3 -S-(CH 2 ) 2 - | Homocystéine → Méthionine ( méthionine synthase ) |
| Proline | -(CH 2 ) 3 - | Acide glutamique → Glutamate-5-semialdéhyde → Proline ( γ-glutamyl kinase) |
| Phénylalanine § | Ph-CH 2 - | Phosphoénolpyruvate → 2-céto-3-désoxy arabino heptulosonate-7-phosphate → Chorismate → Phénylalanine |
| Tryptophane § | Ph-NH-CH=C-CH 2 - | Phosphoénolpyruvate → 2-céto-3-désoxy arabino heptulosonate-7-phosphate → Chorismate → Tryptophane |
| Tyrosine | HO-Ph-CH 2 - | Phénylalanine → Tyrosine ( phénylalanine hydroxylase ) |
| Sérine | HO-CH 2 - | 3-phosphoglycérate → 3-phosphohydroxypyruvate ( 3-phosphoglycérate déshydrogénase ) → 3-phosphosérine ( aminotransférase ) → Sérine ( phosphosérine phosphatase ) |
| Thréonine § | CH 3 -CH(OH)- | Aspartate → β-aspartate-semialdéhyde → Homosérine → Thréonine |
| Cystéine | HS-CH 2 - | Sérine → Cystathionine → α-cétobutyrate → Cystéine |
| Asparagine | H 2 N-CO-CH 2 - | Acide aspartique → Asparagine ( asparagine synthétase ) |
| Glutamine | H 2 N-CO-(CH 2 ) 2 - | Acide glutamique → Glutamine ( glutamine synthétase ) |
| Arginine | + H 2 N=C(NH 2 )-NH-(CH 2 ) 3 - | Glutamate → Glutamate-5-sémialdéhyde ( -glutamyl kinase) → Arginine |
| Histidine § | NH-CH=N-CH=C-CH 2 - | Glucose → Glucose-6-phosphate → Ribose-5-phosphate → Histidine |
| Lysine § | + H 3 N-(CH 2 ) 4 - | Aspartate → β-aspartate-semialdéhyde → Homosérine + lysine |
| L'acide aspartique | − OOC-CH 2 - | Oxaloacétate → Acide aspartique ( aminotransférase ) |
| Acide glutamique | − OOC-(CH 2 ) 2 - | α-cétoglutarate → Acide glutamique ( aminotransférase ) |
|
‡ Montré dans des conditions physiologiques.
*Les complexes en italique sont des enzymes. § Ne peut pas être synthétisé chez l'homme. |
||
Synthèse de polypeptides
Transcription
Dans la transcription , l' ARN polymérase lit un brin d'ADN et produit un brin d' ARNm qui peut être traduit davantage. Afin d'initier la transcription, le segment d'ADN à transcrire doit être accessible (c'est-à-dire qu'il ne peut pas être compacté). Une fois que le segment d'ADN est accessible, l'ARN polymérase peut commencer à transcrire le brin d'ADN codant en associant des nucléotides d'ARN au brin d'ADN matrice. Au cours de la phase de transcription initiale, l'ARN polymérase recherche une région promotrice sur le brin matrice d'ADN. Une fois que l'ARN polymérase se lie à cette région, elle commence à « lire » le brin d'ADN matrice dans la direction 3' à 5'. L'ARN polymérase attache des bases d'ARN complémentaires au brin d'ADN matrice (l' uracile sera utilisé à la place de la thymine ). Les nouvelles bases nucléotidiques sont liées les unes aux autres de manière covalente. Les nouvelles bases finissent par se dissocier des bases d'ADN mais restent liées les unes aux autres, formant un nouveau brin d'ARNm. Ce brin d'ARNm est synthétisé dans le sens 5' à 3'. Une fois que l'ARN atteint une séquence de terminaison , il se dissocie du brin matrice d'ADN et termine également la séquence d'ARNm.
La transcription est régulée dans la cellule par des facteurs de transcription. Les facteurs de transcription sont des protéines qui se lient à des séquences régulatrices dans le brin d'ADN telles que des régions promotrices ou des régions opérateur. Les protéines liées à ces régions peuvent directement arrêter ou permettre à l'ARN polymérase de lire le brin d'ADN ou peuvent signaler à d'autres protéines d'arrêter ou de permettre la lecture de l'ARN polymérase.
Traduction
Au cours de la traduction , les ribosomes convertissent une séquence d'ARNm (ARN messager) en une séquence d'acides aminés. Chaque segment d'ARNm de 3 paires de bases est un codon qui correspond à un acide aminé ou à un signal d'arrêt. Les acides aminés peuvent avoir plusieurs codons qui leur correspondent. Les ribosomes n'attachent pas directement les acides aminés aux codons d'ARNm. Ils doivent également utiliser des ARNt (ARN de transfert). Les ARN de transfert peuvent se lier aux acides aminés et contenir un anticodon qui peut se lier à l'hydrogène à un codon d'ARNm. Le processus de liaison d'un acide aminé à un ARNt est connu sous le nom de charge d'ARNt. Ici, l'enzyme aminoacyl-ARNt-synthétase catalyse deux réactions. Dans le premier, il attache une molécule d'AMP (clivée de l'ATP) à l'acide aminé. La deuxième réaction clive l'aminoacyl-AMP produisant l'énergie nécessaire pour joindre l'acide aminé à la molécule d'ARNt.
Les ribosomes ont deux sous - unités , une grande et une petite. Ces sous-unités entourent le brin d'ARNm. La plus grande sous-unité contient trois sites de liaison : A (aminoacyle), P (peptidyle) et E (sortie). Après l'initiation de la traduction (qui est différente chez les procaryotes et les eucaryotes ), le ribosome entre dans la période d'élongation qui suit un cycle répétitif. Tout d'abord, un ARNt avec le bon acide aminé pénètre dans le site A. Le ribosome transfère le peptide de l'ARNt du site P vers le nouvel acide aminé de l'ARNt du site A. L'ARNt du site P sera déplacé vers le site E où il sera éjecté. Cela se produit continuellement jusqu'à ce que le ribosome atteigne un codon d'arrêt ou reçoive un signal d'arrêt. Une liaison peptidique se forme entre l'acide aminé attaché à l'ARNt dans le site P et l'acide aminé attaché à un ARNt dans le site A. La formation d'une liaison peptidique nécessite un apport d'énergie. Les deux molécules réagissantes sont le groupe alpha amino d'un acide aminé et le groupe alpha carboxyle des autres acides aminés. Un sous-produit de cette formation de liaison est la libération d'eau (le groupe amino donne un proton tandis que le groupe carboxyle donne un hydroxyle).
La traduction peut être régulée à la baisse par les miARN (microARN). Ces brins d'ARN peuvent cliver les brins d'ARNm auxquels ils sont complémentaires et arrêteront ainsi la traduction. La traduction peut également être régulée via des protéines auxiliaires. Par exemple, une protéine appelée facteur d'initiation eucaryote 2 ( eIF-2 ) peut se lier à la plus petite sous-unité du ribosome, en commençant la traduction. Lorsque elF-2 est phosphorylé , il ne peut pas se lier au ribosome et la traduction est interrompue.
Modifications post-traductionnelles
Une fois la chaîne peptidique synthétisée, elle doit encore être modifiée. Des modifications post-traductionnelles peuvent survenir avant ou après le repliement des protéines. Les méthodes biologiques courantes de modification des chaînes peptidiques après traduction comprennent la méthylation , la phosphorylation et la formation de ponts disulfure . La méthylation se produit souvent pour l' arginine ou la lysine et consiste à ajouter un groupe méthyle à un azote (en remplaçant un hydrogène ). Les groupes R de ces acides aminés peuvent être méthylés plusieurs fois tant que les liaisons à l'azote ne dépassent pas 4. La méthylation réduit la capacité de ces acides aminés à former des liaisons hydrogène, de sorte que l'arginine et la lysine qui sont méthylées ont des propriétés différentes de leurs homologues standard. . La phosphorylation se produit souvent pour la sérine , la thréonine et la tyrosine et implique le remplacement d'un hydrogène sur le groupe alcool à l'extrémité du groupe R par un groupe phosphate . Cela ajoute une charge négative sur les groupes R et modifiera ainsi le comportement des acides aminés par rapport à leurs homologues standard. La formation de liaisons disulfure est la création de ponts disulfure ( liaisons covalentes ) entre deux acides aminés de la cystéine dans une chaîne qui ajoute de la stabilité à la structure repliée.
Repliement des protéines
Une chaîne polypeptidique dans la cellule n'a pas à rester linéaire ; il peut se ramifier ou se replier sur lui-même. Les chaînes polypeptidiques se replient d'une manière particulière en fonction de la solution dans laquelle elles se trouvent. Le fait que tous les acides aminés contiennent des groupes R avec des propriétés différentes est la principale raison pour laquelle les protéines se replient. Dans un environnement hydrophile tel que le cytosol , les acides aminés hydrophobes se concentreront au cœur de la protéine, tandis que les acides aminés hydrophiles seront à l'extérieur. Ceci est entropiquement favorable car les molécules d'eau peuvent se déplacer beaucoup plus librement autour des acides aminés hydrophiles que les acides aminés hydrophobes. Dans un environnement hydrophobe, les acides aminés hydrophiles se concentreront au cœur de la protéine, tandis que les acides aminés hydrophobes seront à l'extérieur. Étant donné que les nouvelles interactions entre les acides aminés hydrophiles sont plus fortes que les interactions hydrophobes-hydrophiles, cela est enthalpiquement favorable . Une fois qu'une chaîne polypeptidique est complètement repliée, elle est appelée protéine. Souvent, de nombreuses sous-unités se combinent pour former une protéine entièrement fonctionnelle, bien qu'il existe des protéines physiologiques qui ne contiennent qu'une seule chaîne polypeptidique. Les protéines peuvent également incorporer d'autres molécules telles que le groupe hème dans l' hémoglobine , une protéine responsable du transport de l'oxygène dans le sang.
Décomposition des protéines
Le catabolisme des protéines est le processus par lequel les protéines sont décomposées en leurs acides aminés . Ceci est également appelé protéolyse et peut être suivi d'une dégradation supplémentaire des acides aminés .
Catabolisme des protéines via les enzymes
Protéases
Pensées à l'origine pour perturber uniquement les réactions enzymatiques , les protéases (également appelées peptidases ) aident en fait à cataboliser les protéines par clivage et à créer de nouvelles protéines qui n'étaient pas présentes auparavant. Les protéases aident également à réguler les voies métaboliques . Une façon de le faire est de cliver les enzymes dans des voies qui n'ont pas besoin de fonctionner (c'est-à-dire la néoglucogenèse lorsque les concentrations de glucose dans le sang sont élevées). Cela permet d'économiser le plus d'énergie possible et d'éviter les cycles futiles . Des cycles futiles se produisent lorsque les voies catabolique et anabolique sont toutes les deux actives en même temps et accélèrent pour la même réaction. Étant donné que les intermédiaires créés sont consommés, le corps ne réalise aucun gain net. L'énergie est perdue par des cycles futiles. Les protéases empêchent ce cycle de se produire en modifiant le taux d'une des voies, ou en clivant une enzyme clé, elles peuvent arrêter l'une des voies. Les protéases sont également non spécifiques lorsqu'elles se lient au substrat , ce qui permet une grande diversité à l'intérieur des cellules et d'autres protéines, car elles peuvent être clivées beaucoup plus facilement d'une manière économe en énergie.
Comme de nombreuses protéases ne sont pas spécifiques, elles sont fortement régulées dans la cellule. Sans régulation, les protéases détruiront de nombreuses protéines essentielles aux processus physiologiques. Une façon dont le corps régule les protéases est par le biais des inhibiteurs de protéase . Les inhibiteurs de protéase peuvent être d'autres protéines, de petits peptides ou des molécules. Il existe deux types d'inhibiteurs de protéase : réversibles et irréversibles. Les inhibiteurs de protéase réversibles forment des interactions non covalentes avec la protéase limitant sa fonctionnalité. Ils peuvent être des inhibiteurs compétitifs , inhibiteurs non compétitifs , et les inhibiteurs non compétitifs . Les inhibiteurs compétitifs rivalisent avec le peptide pour se lier au site actif de la protéase. Les inhibiteurs non compétitifs se lient à la protéase tandis que le peptide est lié mais ne laissent pas la protéase cliver la liaison peptidique. Les inhibiteurs non compétitifs peuvent faire les deux. Les inhibiteurs de protéase irréversibles modifient de manière covalente le site actif de la protéase afin qu'elle ne puisse pas cliver les peptides.
Exopeptidases
Les exopeptidases sont des enzymes qui peuvent cliver l'extrémité d'une chaîne latérale d'acides aminés principalement par l'ajout d'eau. Les enzymes exopeptidases existent dans l'intestin grêle. Ces enzymes ont deux classes : les aminopeptidases sont une enzyme de bordure en brosse et les carboxypeptidases qui proviennent du pancréas. Les aminopeptidases sont des enzymes qui éliminent les acides aminés de l' extrémité aminée des protéines. Ils sont présents dans toutes les formes de vie et sont cruciaux pour la survie car ils effectuent de nombreuses tâches cellulaires afin de maintenir la stabilité. Cette forme de peptidase est une métalloenzyme du zinc et elle est inhibée par l' analogue de l'état de transition . Cet analogue est similaire à l' état de transition réel , il peut donc amener l'enzyme à s'y lier au lieu de l'état de transition réel, empêchant ainsi la liaison au substrat et diminuant les vitesses de réaction. Les carboxypeptidases clivent à l' extrémité carboxyle de la protéine. S'ils peuvent cataboliser des protéines, ils sont plus souvent utilisés dans les modifications post-transcriptionnelles .
Endopeptidases
Les endopeptidases sont des enzymes qui ajoutent de l'eau à une liaison peptidique interne dans une chaîne peptidique et rompent cette liaison. Trois endopeptidases courantes provenant du pancréas sont la pepsine , la trypsine et la chymotrypsine . La chymotrypsine effectue une réaction d'hydrolyse qui se clive après les résidus aromatiques . Les principaux acides aminés impliqués sont la sérine , l' histidine et l'acide aspartique . Ils jouent tous un rôle dans le clivage de la liaison peptidique. Ces trois acides aminés sont connus sous le nom de triade catalytique, ce qui signifie que ces trois doivent tous être présents pour fonctionner correctement. La trypsine se clive après de longs résidus chargés positivement et possède une poche de liaison chargée négativement sur le site actif . Les deux sont produits sous forme de zymogènes , ce qui signifie qu'ils se trouvent initialement dans leur état inactif et qu'après clivage par réaction d'hydrolyse, ils deviennent activés. Les interactions non covalentes telles que la liaison hydrogène entre le squelette peptidique et la triade catalytique aident à augmenter les vitesses de réaction, permettant à ces peptidases de cliver efficacement de nombreux peptides.
Catabolisme des protéines via les changements environnementaux
pH
Les protéines cellulaires sont maintenues à un pH relativement constant afin d'éviter les changements dans l'état de protonation des acides aminés. Si le pH baisse, certains acides aminés de la chaîne polypeptidique peuvent devenir protonés si le pka de leurs groupes R est supérieur au nouveau pH. La protonation peut modifier la charge de ces groupes R. Si le pH augmente, certains acides aminés de la chaîne peuvent se déprotoner (si le pka du groupe R est inférieur au nouveau pH). Cela modifie également la charge du groupe R. Étant donné que de nombreux acides aminés interagissent avec d'autres acides aminés basés sur l'attraction électrostatique , la modification de la charge peut rompre ces interactions. La perte de ces interactions altère la structure des protéines , mais surtout elle altère la fonction des protéines, ce qui peut être bénéfique ou néfaste. Un changement significatif du pH peut même perturber de nombreuses interactions que les acides aminés produisent et dénaturer (déplier) la protéine.
Température
À mesure que la température dans l'environnement augmente, les molécules se déplacent plus rapidement. Les liaisons hydrogène et les interactions hydrophobes sont des forces stabilisatrices importantes dans les protéines. Si la température augmente et que les molécules contenant ces interactions se déplacent trop vite, les interactions se compromettent voire se cassent. À haute température, ces interactions ne peuvent pas se former et une protéine fonctionnelle est dénaturée . Cependant, cela dépend de deux facteurs; le type de protéine utilisée et la quantité de chaleur appliquée. La quantité de chaleur appliquée détermine si ce changement de protéine est permanent ou s'il peut être transformé pour retrouver sa forme originale.