Biochimie des protéines

Biochimie des protéines

La biochimie des protéines est l'ensemble des méthodes qui permettent à la science et à la médecine l’étude des protéines ou protéomique.

On trouve des protéines dans chaque cellule. Leur composition est cartographiée par le code génétique. Les gènes sont lus au cours de ce que l'on appelle l'expression, afin que les protéines soient disponibles et fonctionnelles dans l'être vivant.
Les protéines sont constituées d'acides aminés.

Vous trouverez une section distincte à ce sujet ici : https://www.itwreagents.com/france/fr/acides-amines. Tous les protéines sont formées d‘acides aminés reliés par des liaisons peptidiques.

Une liaison peptidique est une liaison acide carboxylique-amide qui relie deux acides aminés via le groupe carboxy d'un acide aminé et le groupe amino de l'autre acide aminé. Le plus souvent, il s'agit de la liaison entre les groupes fonctionnels respectifs en position α de deux acides aminés, c'est-à-dire entre le C-1 d'un acide aminé et le N-2 de l'autre acide aminé. Cette liaison est formée par une réaction de condensation avec élimination d'eau.

Les groupes réactifs doivent d'abord être activés pour cette réaction. Dans les systèmes biologiques, cela se fait généralement par voie enzymatique. Dans la biosynthèse des protéines, la réaction est catalysée par les ribosomes pendant la traduction.

Les multiples possibilités de combinaison des acides aminés et des peptides conduisent à une possibilité presque infinie de structures et donc à de nombreuses fonctions. Les protéines peuvent être des enzymes soient des catalyseurs biologiques, des protéines de structure des cellules, de protection du matériel génétique …. Les protéines jouent un rôle déterminant dans la fonction motrice de notre corps et assurent le mouvement des muscles en actine et myosine.

L’ensemble des protéines présentes dans une cellule ou un organisme vivant dans des conditions est appelé protéome. Contrairement au génome, plutôt statique, le protéome peut changer dans sa composition protéique qualitative et quantitative en raison de conditions changeantes (facteurs environnementaux, température, expression génétique, administration de médicaments, etc.) La dynamique du protéome peut être visualisée dans l'exemple suivant. Une chenille et le papillon qui se développe à partir d'elle contiennent le même génome, mais diffèrent néanmoins extérieurement en raison d'un protéome différent. Il en va de même pour un têtard et la grenouille qui se développe à partir de lui. Les changements dans le protéome peuvent parfois se produire très rapidement, par exemple par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation et la déphosphorylation des protéines, qui jouent un rôle très important dans la transduction des signaux.

La protéomique tente de classer et de cataloguer toutes les protéines de l'organisme et de déchiffrer leurs fonctions. Les plans des protéines se trouvent dans le matériel héréditaire. Alors que le matériel génétique, l'ADN, ne fait que stocker des informations, les molécules de protéines, composées d'acides aminés, remplissent de multiples fonctions. Elles sont la substance de base de la vie et, par exemple, en tant qu'anticorps, elles préviennent les maladies, et en tant qu'enzymes, elles permettent le métabolisme et assurent le mouvement sous la forme du squelette, des tendons et des muscles.
Le mot protéome vient du chercheur australien Marc Wilkins et a été mentionné pour la première fois sur une diapositive de sa présentation au congrès "2D Electrophoresis : from protein maps to genomes" à Sienne le 5 septembre 1994. Le libellé de la diapositive était le suivant : “Proteome: the PROTEin complement expressed by a genOME, cell or tissue“ (Protéome : le complément protéique exprimé par un génome, une cellule ou un tissu).

À l'instar de la Human Genome Organisation (HUGO), les chercheurs de la International Human Proteome Organisation (HUPO) se partagent la charge de travail dans le monde entier. L'Allemagne se concentre sur la recherche sur les protéines du cerveau. En Allemagne, les principaux scientifiques spécialisés dans les protéines et la protéomique ont également uni leurs forces au sein de la Société allemande pour la recherche sur le protéome (DGPF) depuis 2001 afin d'utiliser de manière optimale les capacités de recherche.

Subdivisions
Des sous-domaines importants sont la compréhenson des interactions protéine-protéine, qui dépendent principalement des structures tertiaires et quaternaires des protéines. En outre, la purification des protéines et l'analyse quantitative de l'expression des protéines font également partie du domaine de la protéomique. Elle complète ainsi les données obtenues par l'analyse de l'expression des gènes et fournit des informations sur les composants des voies métaboliques et des circuits de régulation moléculaire. L'ingénierie des protéines permet de modifier les fonctions des protéines recombinantes pour adapter ses propriétés.

Ainsi, les techniques clés de la protéomique permettent d'élucider la fonction et la structure tridimensionnelle des protéines et d'identifier les protéines individuelles dans les mélanges.

Étant donné que tous les processus métaboliques sont effectués par des protéines, les approches thérapeutiques telles que les nouveaux agents actifs contre le cancer, les infections et certaines maladies nerveuses sont basées sur celles-ci. Des maladies telles que la drépanocytose, la maladie d'Alzheimer, la chorée de Huntington ou la maladie de Creutzfeldt-Jakob sont liées à des protéines mal formées ou/et agglutinées. Par conséquent, si l'on sait quelle protéine est responsable d'un dysfonctionnement, il devient envisageable d’avoir une action ciblée sur cette protéine pour stopper le dysfonctionnement. Les protéines recombinantes sont utilisées dans l'industrie sous la forme d'enzymes détergentes et de pesticides biologiques.

Biologie des systèmes
Un nouveau domaine de recherche qui s'appuie sur la protéomique est la biologie des systèmes. Il ne s'agit plus d'étudier uniquement les parties individuelles d'une cellule, par exemple, mais de décrire l'interaction de toutes les parties individuelles au sein d'un système et de son environnement. Outre la protéomique, cela nécessite des modèles mathématiques qui simulent le système in silico (c'est-à-dire dans des modèles informatiques), mais aussi ceux qui permettent de le reproduire dans des approches expérimentales.

Paléoprotéomique
Outre l'ADN "ancien", on peut parfois isoler des protéines fossiles à partir d'ossements fossiles, ce qui permet également de tirer des conclusions, par exemple sur leur appartenance à une espèce biologique particulière. La paléoprotéomique (du grec παλαιός palaiós, "vieux"), qui s'en inspire, bénéficie notamment du fait que certaines protéines sont plus stables que l'ADN sur une plus longue période. En 2016, par exemple, le groupe de recherche de Jean-Jacques Hublin à l'Institut Max Planck d'anthropologie évolutive a utilisé des échantillons de collagène datant de quelque 40 000 ans pour préciser que la culture archéologique de Châtelperronia est liée aux Néandertaliens et non aux humains modernes (Homo sapiens). En 2019, des protéines fossiles de la dentine de la mandibule de Xiahe découverte sur les hauts plateaux du Tibet dans la grotte de Baishiya ont prouvé qu'il s'agissait d'humains de Denisova, et quelques mois plus tard, des échantillons de dentine vieux de 1,9 million d'années ont confirmé que le genre Gigantopithecus est un taxon "frère" éteint des orangs-outans. En 2015, des analyses de collagène ont révélé une relation plus étroite entre les "ongulés d'Amérique du Sud" et les ongulés à doigts impairs, à savoir Macrauchenia et Toxodon, qui étaient encore présents à la fin du Pléistocène. Auparavant, les relations exactes entre les "ongulés d'Amérique du Sud" et les autres groupes d'ongulés n'étaient pas claires et faisaient l'objet de débats scientifiques. Pour le rhinocéros éteint Stephanorhinus, des protéomes remontant respectivement à quelque 200 000 à 400 000 et 1,8 million d'années, en 2017 et 2019, ont révélé une relation plus étroite avec le rhinocéros laineux et donc à un cercle de parenté plus étroit autour du rhinocéros de Sumatra moderne. Cette position a également pu être soutenue par des études génétiques et avait été supposée auparavant sur des bases anatomiques. Toujours en 2019, des études sur les protéines ont contribué à la reclassification systématique des paresseux fossiles et récents.

En 2015, par exemple, une étude portant sur des os vieux de 80 millions d'années de Brachylophosaurus canadensis, un membre du groupe des dinosaures à bec de canard, a attiré l'attention des médias du monde entier. L'étude a révélé des peptides qui, en raison de leur similitude avec les peptides trouvés chez les oiseaux poulets et les autruches vivant aujourd'hui, ont été interprétés comme des restes de vaisseaux sanguins.

Questions et tendances
Après quelques expériences décevantes avec des méthodes génétiques telles que l'analyse des microréseaux, certains scientifiques sont également quelque peu sceptiques à l'égard de la recherche sur le protéome. Friedrich Lottspeich, de l'Institut Max Planck de biochimie de Martinsried, président de la Société allemande pour la recherche sur le protéome (DGPF), met en garde contre les espoirs exagérés :
"Pour le secteur humain, la recherche est en fait encore trop complexe pour le moment de toute façon [...] Mais pour une analyse de la levure, qui serait un bon système modèle, là encore bien sûr personne ne veut dépenser de l'argent."

La complexité découle des nombreuses possibilités : Selon Friedrich Lottspeich, on estime que l'homme possède plusieurs centaines de milliers à des millions de protéines différentes. Un seul gène produit en moyenne cinq à dix protéines, voire plusieurs centaines dans certains cas. Appréhender pleinement cette complexité est un défi que les méthodes actuelles ne permettent pas encore de relever. D'autre part, la recherche sur le protéome se développe rapidement. Cela est dû notamment à l'amélioration constante des spectromètres de masse, qui deviennent de plus en plus précis, sensibles et rapides.

Une autre étape importante est le développement de méthodes quantitatives, telles que les procédures SILAC, iTRAQ, TMT ou ICAT basées sur l'utilisation d'isotopes stables, ou le codage métallique MeCAT, dans lequel des métaux de poids différents sont utilisés pour marquer les protéines et les peptides de différents échantillons de protéines. Ce dernier procédé permet pour la première fois dans l'approche multiplex l'utilisation à l'échelle du protéome de la spectrométrie de masse élémentaire ultrasensible (ICP-MS) (limite de détection dans la gamme des ppt à ppq inférieurs), qui permet une sensibilité plus élevée de 2 à 5 ordres de grandeur dans la quantification des protéines et présente une gamme de mesure dynamique linéaire d'au moins 6 à 8 ordres de grandeur. Contrairement aux autres méthodes qui ne quantifient "que" relativement au niveau des peptides, MeCAT permet avantageusement une quantification relative et même absolue au niveau des protéines, ce qui rend plus facile la quantification d'espèces protéiques telles que les protéines modifiées post-traductionnellement. L'étalonnage de l'ICP-MS est effectué à l'aide d'étalons métalliques indépendants des protéines/peptides. Le besoin de peptides standards spécifiques aux protéines est donc éliminé.

Si l'analyse quantitative du protéome est combinée à d'autres méthodes biologiques, il est également possible de faire des déclarations sur la fonction des protéines (par exemple, l'interaction protéine-protéine ou les modifications post-traductionnelles). La recherche moderne sur le protéome va donc désormais bien au-delà du simple catalogage des protéines et tente de comprendre des mécanismes complexes.

Applications simples
Pour la recherche, il est important de rendre les protéines visibles et de pouvoir les quantifier. L'une des techniques les plus importantes à cet égard est l'électrophorèse sur gel de polyacrylamide (PAGE). Dans la PAGE, les protéines sont séparées en fonction de leur taille dans un champ électrique. Nous vous proposons tout ce dont vous avez besoin pour préparer vous-même les gels. Vous trouverez une sélection de solutions d'acrylamide et de bisacrylamide, d'APS, de TEMED et de matériaux de soutien DTT, β-mercaptoéthanol, Coomassie populaire marqueur de protéines.

Les protéines doivent d'abord être mises à la disposition de l'observateur depuis l'extérieur. Cela se fait d'une part par des méthodes physiques, comme la perturbation des cellules par la chaleur, ou chimiques. Par exemple, notre produit Tritidy G peut aider à isoler simultanément l'ADN, l'ARN et les protéines d'un échantillon. Cependant, les détergents sont particulièrement importants dans ce contexte. De nombreux détergents bien connus comme le SDS et le Tween sont disponibles, mais aussi des détergents plus spécifiques comme la Digitonine et la Saponine, qui sont souvent utilisés pour les protéines membranaires. Nous tenons également à signaler nos produits de remplacement du Triton X-100, qui offrent une plus grande protection à l'utilisateur.

Produits de remplacement du Triton X-100 :

CODE DU PRODUIT	NOM DU PRODUIT	NUMÉRO CAS
A9778	ECOSURF™ EH-9 (remplacement du Triton X-100)	64366-70-7
A9779	ECOSURF™ SA-9 (remplacement du Triton X-100)
A9780	TERGITOL™ 15-S-9 (remplacement du Triton X-100)	68131-40-8

L'original, le Triton X-100, est classé comme une substance à haut risque en raison du règlement REACH et n’est plus utilisable en Europe.

Les techniques de biochimie des protéines ne servent pas seulement à déterminer l'état naturel des protéines, mais aussi à produire les protéines souhaitées au moyen de manipulations ciblées. Pour ce faire, on utilise des systèmes d'expression. L'un des plus connus est l'opéron Lac. Les gènes de certaines protéines sont assemblés par biologie moléculaire à l'aide de cet opéron. Chez les bactéries (E. coli), l'organisme produit ensuite les protéines. L'ensemble du processus est induit par la substance isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG). Nous avons une sélection d'IPTG disponible pour tous les utilisateurs.

CODE DU PRODUIT	NOM DU PRODUIT	NUMÉRO CAS
A1008	IPTG BioChemica	367-93-1
A4773	IPTG pour la biologie moléculaire, sans dioxane	367-93-1
A7211	IPTG d'origine végétale galactose, sans dioxane	367-93-1

Le plus grand risque de dégradation d'une protéine est ... une autre protéine. La dégradation est catalysée par des protéases. Celles-ci sont présentes dans tous les organismes et donc souvent aussi dans les échantillons des utilisateurs/scientifiques. Comme il serait souvent peu rentable de réaliser une séparation directe, on utilise des inhibiteurs.
Ceux-ci interfèrent avec l'activité catalytique des protéases de sorte qu'elles ne peuvent pas devenir actives et que les autres enzymes restent intactes.

Parfois, cependant, c'est précisément la dégradation des protéines qui est souhaitée. Par exemple, si l'on veut examiner uniquement les acides nucléiques d'un échantillon. Les protéines peuvent alors constituer une source d'interférence. Un exemple bien connu est celui de certains kits de test pour le COVID-19. La protéinase K est une protéase qui catalyse la dégradation des protéines. Nous proposons la protéinase K de haute qualité sous forme lyophilisée et déjà dissoute, prête à l'emploi.

D'autres produits importants qui sont utilisés sont les albumines et les cofacteurs tels que le NAD et le NADPH. Ils peuvent être nécessaires comme stabilisateurs ou comme coenzymes dans diverses réactions.

Le domaine de la protéomique est passionnant. Il nous montre le véritable état réel de chaque cellule. De nouveaux axes de recherche conduiront encore à des découvertes révolutionnaires dans ce domaine.

Outre les techniques déjà mentionnées, on trouve différents flux de travail dans le domaine de la protéomique. Elles peuvent avoir lieu de bas en haut ou de haut en bas :

Source: Proteome Analyses of Hepatocellular Carcinoma. Journal of Clinical and Translational Hepatology 2014 vol. 2 | 23–30

La protéomique est également réalisée au moyen de modèles dans lesquels on utilise des modèles cellulaires ou animaux. L'électrophorèse sur gel 2D et le marquage jouent un rôle. Les grandes étapes dans le domaine de la protéomique ont été réalisées par des méthodes chromatographiques couplées à la spectrométrie de masse. Nous proposons les solvants les plus courants pour ces applications.

Les méthodes couramment utilisées aujourd'hui en protéomique comprennent la chromatographie, la spectrométrie de masse, l'imagerie MALDI, l'électrophorèse unidimensionnelle sur polyacrylamide (1D PAGE), l'électrophorèse bidimensionnelle sur gel de polyacrylamide (2D PAGE), les microréseaux, l'analyse des acides aminés (AAA), la culture cellulaire et, surtout, une large utilisation des modèles bioinformatiques.

La protéomique qualitative et quantitative est notamment utilisée pour le diagnostic des tumeurs et permet de tirer des conclusions sur le pronostic et les thérapies de chaque patient.

Les protéines ont également une grande importance en immunologie. Nos anticorps sont des formes particulières de protéines.

La complexité de la protéomique découle des très nombreuses possibilités : Selon Friedrich Lottspeich (biochimiste autrichien), on estime que l'homme possède plusieurs centaines de milliers à des millions de protéines différentes. Un seul gène produit en moyenne cinq à dix protéines, dans certains cas plusieurs centaines. Saisir pleinement cette complexité est un défi que les méthodes actuelles ne permettent pas encore de relever.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu des articles importants, adaptés à la recherche en biochimie des protéines (protéomique) :

CODE DU PRODUIT	NOM DU PRODUIT	NUMÉRO CAS
A1088	ABTS® BioChemica	30931-67-0
A4983	Acrylamide solution (30%) - Mélange 29 : 1 pour biologie moléculaire
A3626	Acrylamide solution (30%) - Mélange 37.5 : 1 pour biologie moléculaire
A3658	Acrylamide solution (40%) - Mélange 19 : 1 pour biologie moléculaire
A0385	Acrylamide solution (40%) - Mélange 29 : 1 pour biologie moléculaire
A4989	Acrylamide solution (40%) - Mélange 37.5 : 1 pour biologie moléculaire
A7582	Acrylamide solution 2K (18%) pour la dénaturation de l'ADN-PAGE
A7590	Acrylamide solution 2K (8%) pour la dénaturation de l'ADN-PAGE
A1089	Acrylamide 2K standard grade, extrapure	79-06-1
A0951	Acrylamide solution 4K (30%) - Mélange 29 : 1
A1672	Acrylamide solution 4K (30%) - Mélange 37,5:1
A1577	Acrylamide solution 4K (40%) - Mélange 37,5:1
A1090	Acrylamide 4K ultrapure	79-06-1
A1421	AEBSF Chlorhydrate BioChemica	30827-99-7
A0850	Albumine (BSA) grade EIA et RIA	9048-46-8
A2244	Albumine (BSA) Fraction V (pH 5,2)	9048-46-8
A1391	Albumine (BSA) Fraction V (pH 7,0)	9048-46-8
A6588	Albumine (BSA) Fraction V (pH 7,0) pour le transfert Western	9048-46-8
A4344	Albumine brute de blanc d'œuf de poule	9006-59-1
A1523	4-Aminoantipyrine BioChemica	83-07-8
A7708	AppliCoat Plate Stabilizer
A2132	Aprotinine BioChemica	9087-70-1
A2568	Avidin BioChemica	1405-69-2
A1117	BCIP BioChemica	6578-06-9
A3636	Bisacrylamide pour biologie moléculaire	110-26-9
A3417	CheLuminate-HRP PicoDetect
A2144	Chymostatine	9076-44-2
A1101	DTT BioChemica	3483-12-3
A2948	DTT pour biologie moléculaire	3483-12-3
A3668	DTT solution 1 mol/L (1 M) pour biologie moléculaire	3483-12-3
A1007	X-Gal BioChemica	7240-90-6
A4978	X-Gal pour biologie moléculaire	7240-90-6
A2243	L-Glutathion oxydé BioChemica	27025-41-8
A9782	L-Glutathion réduit (USP) pur, qualité pharma	70-18-8
A2084	L-Glutathion réduit BioChemica	70-18-8
A1828	Inhibiteur de trypsine de soja > 7000 BAEE	9035-81-8
A1008	IPTG BioChemica	367-93-1
A4773	IPTG pour biologie moléculaire, sans dioxane	367-93-1
A7211	IPTG de galactose d'origine végétale, sans dioxane	367-93-1
A0830	Lait en poudre écrémé
A2185	Luminol	521-31-3
A8889	Marqueur protéique VI (10 - 245) pré-coloré
A1108	β-Mercaptoéthanol pour biologie moléculaire	60-24-2
A1243	NBT BioChemica	298-83-9
A1272	2-Nitrophényl-β-D-Galactopyranoside BioChemica	369-07-3
A1028	4-Nitrophényl-β-D-Glucuronide BioChemica	10344-94-2
A2205	Pepstatine A	26305-03-3
A0999	PMSF BioChemica	329-98-6
A2935	Ponceau S - Solution
A1495	Streptavidine ultrapure	9013-20-1
A1148	TEMED	110-18-9
A3840	3,3',5,5'-Tétraméthylbenzidine BioChemica	54827-17-7