L'eau résout le problème de pliage des protéines

L'un des grands défis de la biologie moléculaire est de comprendre comment les protéines se replient dans des formes 3D complexes.

Les protéines sont des chaînes d'acides aminés fabriquées par diverses machines moléculaires à l'intérieur des cellules. Lorsque les protéines se forment pour la première fois, ce sont des bobines aléatoires. Dans cet état, ils sont au mieux bénins et au pire toxiques - les prions qui causent des problèmes tels que la maladie de la vache folle sont des protéines déformées.

Mais peu de temps après, un petit miracle se produit. Ces énormes chaînes moléculaires s'auto-assemblent rapidement en des formes 3D complexes qui leur permettent d'effectuer leur travail au sein de la machinerie cellulaire.

Cette performance est si étonnante qu'elle vaut la peine de s'y attarder.

Lorsque deux acides aminés se lient, ils peuvent adopter l'une des dix orientations différentes les unes par rapport aux autres. Ainsi, une chaîne de 3 acides aminés peut avoir 10^3 formes différentes.

La protéine de repliement la plus rapide découverte à ce jour est une structure appelée feuille bêta à 3 brins. Comme son nom l'indique, il s'agit d'une surface formée de trois brins de protéines qui se lient ensemble. Au total, ces feuilles contiennent jusqu'à 90 acides aminés et peuvent donc en théorie prendre n'importe laquelle des 10^90 formes différentes.

Si ces formes étaient essayées au rythme de 100 milliards par seconde, il faudrait plus de temps que l'âge de l'Univers pour trouver le bon pli. Et pourtant, la feuille bêta à 3 brins se forme en seulement 140 nanosecondes.

Il serait moins surprenant de laisser quelques morceaux de métal et de plastique dans la cour arrière et de découvrir le lendemain matin qu'il s'était auto-assemblé en un ordinateur portable.

Il existe diverses suggestions sur la façon dont le repliement des protéines fait sa magie. L'une des plus prometteuses est l'idée que l'évolution n'a sélectionné que les protéines qui s'effondrent naturellement dans la forme requise. Pour ce faire, l'énergie de la forme finale doit être inférieure à l'énergie de départ et à toutes les étapes intermédiaires.

Cela signifie que le paysage énergétique de ce système doit être en forme d'entonnoir. Selon cette façon de penser, le repliement des protéines fonctionne car, en explorant l'espace des formes possibles, la structure tombe à travers cet entonnoir.

Mais il y a un problème. Si c'était toute l'histoire, les protéines devraient être plus stables à des températures plus basses. Mais ils ne le sont pas. Une propriété bien connue de nombreuses protéines est que leur structure s'effondre lorsque la température baisse. Ainsi, tout modèle de repliement des protéines doit également en tenir compte.

Aujourd'hui, Olivier Collet de l'Université de Nancy en France a compris ce qui se passe et la clé, dit-il, c'est l'eau.

Il souligne que le repliement des protéines ne se produit pas isolément mais en solution. Ainsi, la chaîne d'acides aminés est entourée de molécules d'eau. À courte distance, ceux-ci forment une enveloppe autour de la chaîne protéique. Ce que Collet a fait, c'est étudier le comportement des molécules d'eau dans cette première coquille.

Collet dit que les molécules d'eau forment des liaisons hydrogène avec les acides aminés. Tant que la température reste relativement élevée, les liaisons hydrogène sont constamment rompues et se reforment et le repliement se déroule généralement de manière rapide.

Mais si la température baisse, les liaisons hydrogène deviennent permanentes, permettant à la protéine d'adopter de nouvelles configurations à basse énergie. Cela change radicalement le paysage énergétique, créant des vallées supplémentaires qui correspondent à ces nouvelles formes à faible énergie. Ainsi, au lieu de tomber dans l'entonnoir énergétique, la protéine se coince dans une autre vallée qui correspond à une forme incorrecte.

C'est une idée utile. Cela explique parfaitement le problème de la température dans la théorie existante.

Cela suggère également qu'une nouvelle compréhension puissante du repliement des protéines pourrait provenir d'une meilleure compréhension des propriétés de l'eau à ces échelles minuscules.

Comme nous l'avons vu la semaine dernière, le réseau de liaisons entre les molécules d'eau confinées à cette échelle a un impact dramatique sur son comportement. Il peut même y avoir une cohérence quantique associée à ces liens, ce qui suggère immédiatement une nouvelle façon d'aborder ce problème, en le traitant comme une sorte de calcul quantique.

Cela pourrait ouvrir une toute nouvelle voie de travail et nous surveillerons. Des trucs fascinants !

Réf : arxiv.org/abs/1101.5502 : Comment la première coquille d'eau plie-t-elle les protéines si rapidement ?

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