Une protéine est une chaîne d'acides aminés qui ne se résume pas à une simple succession de briques. Les acides aminés sont reliés entre eux par des liaisons peptidiques, puis cette chaîne se replie dans l'espace pour former une structure capable d'assurer une fonction biologique : transport, catalyse, soutien mécanique, signalisation ou reconnaissance moléculaire.

Pour comprendre une protéine, il faut donc raisonner à plusieurs échelles. On part de la séquence des acides aminés, puis on observe des motifs locaux comme l'hélice α ou le feuillet β, puis le repliement global de la chaîne, et parfois l'assemblage de plusieurs chaînes entre elles. Ces niveaux ne sont pas indépendants : une petite modification de séquence peut modifier le repliement et donc la fonction.

La liaison peptidique est la liaison qui unit deux acides aminés dans un peptide ou une protéine. Elle se forme entre le groupement carboxyle d'un acide aminé et le groupement amine de l'acide aminé suivant. Cette réaction libère une molécule d'eau : on parle donc d'une réaction de condensation.

La première idée importante est que la liaison peptidique n'est pas une simple liaison C—N ordinaire. À cause de la résonance entre le groupement carbonyle et l'azote amide, la liaison C—N possède un caractère partiel de double liaison. Cela limite fortement la rotation autour de cette liaison et impose une géométrie relativement rigide.

Cette rigidité explique le caractère planaire de la liaison peptidique : les atomes impliqués dans le motif —C(=O)—NH: tendent à rester dans un même plan. La chaîne protéique n'est donc pas libre de tourner partout ; elle tourne surtout autour des liaisons situées de part et d'autre du carbone α.

La liaison peptidique existe très majoritairement en configuration trans. Cela signifie que les carbones α des deux acides aminés voisins se placent de part et d'autre de la liaison peptidique. Cette disposition limite l'encombrement stérique entre les chaînes latérales. La configuration cis existe, mais elle est beaucoup plus rare, notamment sauf cas particuliers comme certaines liaisons impliquant la proline.

Les rotations réellement importantes dans le squelette protéique sont décrites par deux angles : φ et ψ. L'angle φ correspond à la rotation autour de la liaison N—Cα, tandis que l'angle ψ correspond à la rotation autour de la liaison Cα—C carbonyle. Toutes les combinaisons de φ et ψ ne sont pas possibles, car certains angles provoqueraient des collisions entre atomes.

Le diagramme de Ramachandran représente les combinaisons autorisées de ces deux angles. Il permet de comprendre pourquoi certaines conformations reviennent souvent dans les protéines, comme l'hélice α et le feuillet β : elles correspondent à des zones géométriquement favorables.

La protéine n'est pas une chaîne totalement flexible. La liaison peptidique est rigide ; la flexibilité vient surtout des rotations autour du carbone α.

La structure primaire d'une protéine correspond à l'ordre exact des acides aminés dans la chaîne. C'est le niveau le plus simple à décrire, mais aussi le plus fondamental, car la séquence conditionne en grande partie les possibilités de repliement de la protéine.

Par convention, une séquence peptidique s'écrit toujours de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale. L'extrémité N-terminale porte un groupement amine libre, tandis que l'extrémité C-terminale porte un groupement carboxyle libre. Cette orientation est essentielle, car inverser la séquence ne décrit pas la même molécule.

Par exemple, le tripeptide Ala–Gly–Ser n'est pas équivalent à Ser–Gly–Ala. Les mêmes acides aminés sont présents, mais leur ordre est différent, donc les liaisons, les interactions possibles et la structure finale peuvent changer.

La structure primaire est comparable à une phrase : les lettres seules ne suffisent pas, leur ordre donne le sens. En biochimie, changer un seul acide aminé peut parfois avoir peu d'effet, mais peut aussi modifier fortement la stabilité ou la fonction d'une protéine si la position concernée est critique.

Une séquence protéique contient donc deux informations principales : la nature des acides aminés et leur ordre. La nature des chaînes latérales détermine les propriétés locales : hydrophobie, charge, capacité à former des liaisons hydrogène, ou possibilité de créer un pont disulfure.

La séquence d'une protéine s'écrit toujours N-ter → C-ter. Cette convention évite toute ambiguïté sur l'ordre réel des acides aminés.

La structure secondaire décrit des motifs locaux réguliers adoptés par le squelette peptidique. Elle ne concerne pas encore le repliement global de toute la protéine, mais des zones répétitives stabilisées par des interactions régulières.

Le point central est que ces structures secondaires sont surtout stabilisées par des liaisons hydrogène intracaténaires. Ces liaisons se forment entre le C=O d'une liaison peptidique et le N—H d'une autre liaison peptidique de la même chaîne. Elles impliquent donc principalement le squelette peptidique, pas forcément les chaînes latérales.

Les deux grands motifs à connaître sont l'hélice α et le feuillet β. Les coudes β sont aussi importants, car ils permettent à la chaîne de changer brutalement de direction, ce qui aide au repliement compact des protéines globulaires.

Dans une hélice α, la chaîne peptidique s'enroule en spirale. Les liaisons hydrogène se forment régulièrement à l'intérieur de l'hélice, ce qui la stabilise. Les chaînes latérales des acides aminés pointent vers l'extérieur de l'hélice, ce qui permet à certaines faces d'être hydrophobes et d'autres hydrophiles selon la séquence.

<figure className="not-prose my-5"> <img src="https://monyrhcjkkmrreksgxqn.supabase.co/storage/v1/object/public/course-images/native-slots/11e0c6bd-2f13-4eb6-96eb-9e77177401de/2f3f73bd-d323-4ff4-ba69-54a47b04a29c/1783095149663-Image-ChatGPT-Peptides-et-Proteines-Jul-3-2026.png" alt="Hélice alpha avec squelette en spirale, liaisons hydrogène intracaténaires et chaînes latérales orientées vers l'extérieur" /> </figure>

Dans un feuillet β, la chaîne est plus étendue. Plusieurs segments peptidiques s'alignent côte à côte et sont stabilisés par des liaisons hydrogène entre segments voisins. Les feuillets peuvent être parallèles si les segments vont dans le même sens N-ter → C-ter, ou antiparallèles s'ils vont en sens opposés.

Les coudes β sont des zones courtes où la chaîne change de direction. Ils sont fréquents à la surface des protéines globulaires et contiennent souvent des acides aminés compatibles avec une forte courbure, comme la glycine ou la proline. Leur rôle est moins spectaculaire qu'une hélice ou un feuillet, mais ils sont essentiels pour organiser le repliement.

La structure secondaire est principalement une affaire de squelette peptidique. Les chaînes latérales influencent la compatibilité du motif, mais les liaisons H stabilisantes impliquent surtout C=O et N—H du squelette.

La structure tertiaire correspond au repliement tridimensionnel complet d'une chaîne polypeptidique. À ce niveau, on ne regarde plus seulement un motif local, mais l'organisation globale de toute la chaîne dans l'espace.

Ce repliement dépend beaucoup des chaînes latérales des acides aminés. Certaines chaînes latérales sont hydrophobes et ont tendance à se regrouper à l'intérieur de la protéine, loin de l'eau. D'autres sont polaires ou chargées et se placent volontiers à la surface, où elles peuvent interagir avec le milieu aqueux.

La force majeure qui guide souvent le repliement des protéines globulaires est l'effet hydrophobe. Les résidus apolaires ne forment pas une liaison particulière entre eux comme une liaison covalente ; ils se regroupent surtout parce que cela limite leur contact avec l'eau et stabilise l'ensemble du système.

Les liaisons hydrogène participent aussi à la stabilisation, entre chaînes latérales ou entre chaîne latérale et squelette. Les interactions ioniques peuvent se former entre résidus de charges opposées, par exemple entre un acide aminé chargé négativement et un acide aminé chargé positivement. Ces interactions dépendent fortement du pH, car le pH modifie l'état de protonation des groupements ionisables.

Les ponts disulfure sont des liaisons covalentes entre deux cystéines. Ils sont particulièrement stabilisants, car ils relient deux zones de la chaîne par une liaison forte. Ils sont fréquents dans certaines protéines extracellulaires, où ils aident à maintenir une structure stable dans un environnement parfois contraignant.

La structure tertiaire dépend de la structure primaire : la séquence détermine la position des résidus hydrophobes, polaires, chargés ou cystéines, donc les interactions possibles au repliement.

Il faut éviter de voir la structure tertiaire comme une forme figée et parfaitement rigide. Une protéine possède une conformation stable dominante, mais elle peut aussi bouger localement. Cette dynamique est importante pour la reconnaissance d'un ligand, l'activité enzymatique ou les changements de conformation.