Assemblage macromoléculaire

En biologie moléculaire , le terme assemblage macromoléculaire ( AM ) désigne des structures chimiques massives telles que des virus et des nanoparticules non biologiques , des organites et des membranes cellulaires et des ribosomes , etc., qui sont des mélanges complexes de polypeptides , de polynucléotides , de polysaccharides ou d'autres macromolécules polymères . Ils sont généralement de plusieurs de ces types, et les mélanges sont définis spatialement (c'est-à-dire en fonction de leur forme chimique) et en fonction de leur composition et de leur structure chimiques sous-jacentes . Les macromolécules se trouvent dans les êtres vivants et non vivants, et sont composées de plusieurs centaines ou milliers d' atomes maintenus ensemble par des liaisons covalentes ; elles sont souvent caractérisées par des unités répétitives (c'est-à-dire qu'elles sont des polymères ). Les assemblages de ces derniers peuvent également être biologiques ou non biologiques, bien que le terme AM soit plus couramment utilisé en biologie, et le terme assemblage supramoléculaire est plus souvent utilisé dans des contextes non biologiques (par exemple, en chimie supramoléculaire et en nanotechnologie ). Les AM des macromolécules sont maintenus dans leurs formes définies par des interactions intermoléculaires non covalentes (plutôt que des liaisons covalentes ), et peuvent se présenter sous forme de structures non répétitives (par exemple, comme dans les architectures du ribosome (image) et de la membrane cellulaire), ou sous forme de motifs répétitifs linéaires, circulaires, en spirale ou autres (par exemple, comme dans les filaments d'actine et le moteur flagellaire , image). Le processus par lequel les AM sont formés a été appelé auto-assemblage moléculaire , un terme particulièrement appliqué dans les contextes non biologiques. Il existe une grande variété de méthodes physiques/biophysiques, chimiques/biochimiques et informatiques pour l'étude des AM ; étant donné l'échelle (dimensions moléculaires) des AM, les efforts pour élaborer leur composition et leur structure et discerner les mécanismes sous-jacents à leurs fonctions sont à l'avant-garde de la science de la structure moderne.

Un complexe biomoléculaire , également appelé complexe biomacromoléculaire , est un complexe biologique constitué de plusieurs biopolymères ( protéines , ARN , ADN , glucides ) ou de grandes biomolécules non polymériques ( lipides ). Les interactions entre ces biomolécules sont non covalentes. Exemples :

• Complexes protéiques , dont certains sont des complexes multienzymatiques : protéasome , holoenzyme ADN polymérase III , holoenzyme ARN polymérase II , capsides virales symétriques , complexe chaperonine GroEL - GroES , photosystème I , ATP synthase , ferritine .
• Complexes ARN-protéine : ribosome , spliceosome , vault , SnRNP . Ces complexes dans le noyau cellulaire sont appelés ribonucléoprotéines (RNP).
• Complexes ADN-protéine : nucléosome .
• Complexes protéiques-lipidiques : lipoprotéine .

Les complexes biomacromoléculaires sont étudiés structurellement par cristallographie aux rayons X , spectroscopie RMN des protéines , cryomicroscopie électronique et analyse successive de particules individuelles , et tomographie électronique . Les modèles de structure atomique obtenus par cristallographie aux rayons X et spectroscopie RMN biomoléculaire peuvent être ancrés dans les structures beaucoup plus grandes de complexes biomoléculaires obtenues par des techniques de résolution inférieure comme la microscopie électronique, la tomographie électronique et la diffusion des rayons X aux petits angles .

Les complexes de macromolécules sont omniprésents dans la nature, où ils sont impliqués dans la construction des virus et de toutes les cellules vivantes. De plus, ils jouent un rôle fondamental dans tous les processus vitaux de base ( traduction des protéines , division cellulaire , trafic vésiculaire , échange intra et intercellulaire de matière entre compartiments, etc.). Dans chacun de ces rôles, des mélanges complexes de s'organisent de manière structurelle et spatiale spécifique. Alors que les macromolécules individuelles sont maintenues ensemble par une combinaison de liaisons covalentes et de forces intramoléculaires non covalentes (c'est-à-dire des associations entre les parties de chaque molécule, via des interactions charge-charge , des forces de van der Waals et des interactions dipôle-dipôle telles que des liaisons hydrogène ), par définition, les MA elles-mêmes sont maintenues ensemble uniquement via les forces non covalentes , sauf qu'elles s'exercent désormais entre les molécules (c'est-à-dire des interactions intermoléculaires ).

Les images ci-dessus donnent une indication des compositions et de l'échelle (dimensions) associées aux MA, bien que celles-ci ne fassent qu'effleurer la complexité des structures ; en principe, chaque cellule vivante est composée de MA, mais est elle-même également un MA. Dans les exemples et autres complexes et assemblages de ce type, les MA ont souvent chacun un poids moléculaire de plusieurs millions de daltons (mégadaltons, c'est-à-dire des millions de fois le poids d'un seul atome simple), tout en ayant toujours des rapports de composants mesurables ( stoechiométries ) à un certain niveau de précision. Comme le mentionnent les légendes des images, lorsqu'ils sont correctement préparés, les MA ou les sous-complexes de composants de MA peuvent souvent être cristallisés pour être étudiés par cristallographie des protéines et méthodes apparentées, ou étudiés par d'autres méthodes physiques (par exemple, spectroscopie , microscopie ).

Les structures virales ont été parmi les premiers AM étudiés ; d'autres exemples biologiques incluent les ribosomes (image partielle ci-dessus), les protéasomes et les complexes de traduction (avec des composants protéiques et d'acide nucléique ), les complexes de transcription procaryotes et eucaryotes et les pores nucléaires et autres pores biologiques qui permettent le passage de matériaux entre les cellules et les compartiments cellulaires. Les biomembranes sont également généralement considérées comme des AM, bien que l'exigence de définition structurelle et spatiale soit modifiée pour tenir compte de la dynamique moléculaire inhérente aux lipides membranaires et aux protéines au sein des bicouches lipidiques .

Lors de l'assemblage du virion du bactériophage (phage) T4 , les protéines morphogénétiques codées par les gènes du phage interagissent entre elles selon une séquence caractéristique. Le maintien d'un équilibre approprié dans les quantités de chacune de ces protéines produites lors de l'infection virale semble être essentiel à la morphogenèse normale du phage T4 . Les protéines codées par le phage T4 qui déterminent la structure du virion comprennent des composants structurels majeurs, des composants structurels mineurs et des protéines non structurelles qui catalysent des étapes spécifiques de la séquence de morphogenèse

L'étude de la structure et de la fonction des AM est difficile, en particulier en raison de leur taille en mégadaltons, mais aussi en raison de leurs compositions complexes et de leurs natures dynamiques variables. La plupart d'entre eux ont fait l'objet de méthodes chimiques et biochimiques standard (méthodes de purification et de centrifugation des protéines , caractérisation chimique et électrochimique , etc.). De plus, leurs méthodes d'étude comprennent des approches protéomiques modernes , des méthodes structurales informatiques et à résolution atomique (par exemple, la cristallographie aux rayons X ), la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS), la spectroscopie de force, la microscopie électronique à transmission et la cryomicroscopie électronique . Aaron Klug a reçu le prix Nobel de chimie en 1982 pour ses travaux sur l'élucidation structurelle à l'aide de la microscopie électronique, en particulier pour les AM protéines-acides nucléiques, y compris le virus de la mosaïque du tabac (une structure contenant une molécule d'ARN simple brin de 6 400 bases et > 2 000 molécules de protéines d'enveloppe). La solution de cristallisation et de structure du ribosome, MW ~ 2,5 MDa, un exemple d'une partie de la « machinerie » de synthèse des protéines des cellules vivantes, a fait l'objet du prix Nobel de chimie 2009 décerné à Venkatraman Ramakrishnan , Thomas A. Steitz et Ada E. Yonath .

Enfin, la biologie n'est pas le seul domaine des MA. Les domaines de la chimie supramoléculaire et de la nanotechnologie ont chacun des domaines qui se sont développés pour élaborer et étendre les principes démontrés pour la première fois dans les MA en biologie. Un intérêt particulier dans ces domaines a été l'élaboration des processus fondamentaux des machines moléculaires et l'extension des conceptions de machines connues à de nouveaux types et processus.