PROTEINES EN SOLUTION AQUEUSE

1. Les macromolécules " solubles "- Solutions colloïdales

Les macromolécules en solution dans l'eau ne donnent pas des solutions vraies mais un système dit colloïdal. Contrairement à la situation rencontrée dans une solution vraie, les dimensions de la macromolécule sont beaucoup plus importantes que les dimensions des molécules de solvant. On peut considérer que la macromolécule est une toute petite particule solide dispersée dans l'eau. Le système global est donc constitué de 2 phases distinctes.

Les protéines "solubles" sont les protéines globulaires.
Les protéines en solution dans un milieu aqueux constituent de toutes petites particules de quelques nm ou quelques dizaines de nm. La "solution" ainsi constituée s'appelle un sol. La surface de la protéine porte les groupes ionisables des résidus hydrophiles.

Dans les protéines, les résidus chargés mobilisent plusieurs molécules d'eau dans leur environnement proche. Ainsi les résidus ionisés du glutamate et de l'aspartate fixent 6 molécules d'eau. Le nombre de molécules d'eau fixées passe à 2 quand la fonction carboxylique (Glu ou Asp) est protonée. De même, le nombre de molécules d'eau fixées est de 2 pour les résidus polaires mais non ionisés tels asparagine ou sérine. Les chaînes chargées positivement (Arg et Lys) fixent 4 molécules d'eau.

2. La double couche électrique

L'existence de charges électriques à la surface de la protéine est très importante dans la stabilité de la solution. On distingue 2 régions de charge. La première couche d'ions qui adhèrent à la surface de la particule. Cette couche peut aussi contenir des molécules d'eau. Le rayon de la sphère constituée par cette première couche est appelé rayon de cisaillement. Le potentiel électrique que l'on peut déterminer à la limite de la sphère s'appelle potentiel zêta ( z ) ou potentiel électrocinétique. La première couche s'entoure d'une deuxième couche ionique où les ions sont beaucoup plus mobiles. L'ensemble de cet environnement ionique de la particule constitue la double couche électrique. Le rôle de la double couche électrique est de stabiliser le colloïde. La stabilisation tient au fait que les particules colloïdales qui entrent en collision interpénètrent leur double couche respective , cela engendre une force répulsive qui tend à s'opposer à tout rapprochement supplémentaire des particules. Celles-ci n'interagissent que si la collision est suffisamment énergétique pour rompre les couches d'ions ou d'eau . Cette situation peut se produire si on augmente la température du milieu et cela entraîne la précipitation des macromolécules. Pour garantir le rôle protecteur de la double couche, il est nécessaire de ne pas éliminer tous les ions lors de la purification.

3. Influence du pH sur la solubilité des protéines

La variation du pH du milieu produit une modification de l'ionisation des divers groupes acido-basiques à la surface de la protéine et la charge globale est affectée. La solubilité des protéines devient minimale lorsque le pH est égal au pI.

4. Influence de la force ionique sur la solubilité des protéines : effet des sels

La concentration saline du milieu joue un rôle sur les charges électriques à la surface de la macromolécule. A concentration saline modérée (inférieure à 1 ou 2 mol par L) , la solubilité de la macromolécule est augmentée. Dans cette gamme de concentration, les ions neutralisent les charges de surface et apportent avec eux leur couche de solvatation ce qui favorise la solubilisation de la protéine. C'est l'effet nommé " salting -in ".

A plus forte concentration saline, l'épaisseur de la double couche électrique autour de la protéine est diminuée et les nombreux ions en solution mobilisent les molécules d'eau disponibles pour constituer leur proche couche de solvatation, au détriment de la couche d'hydratation de la protéine. Les protéines ont alors une forte tendance à précipiter. C'est ce qu'on appelle le " relargage " ou l'effet " salting-out ".

5. Dénaturation

5.1 Dénaturation thermique des protéines

Toutes les protéines n'ont pas la même sensibilité vis à vis d'une augmentation de la température du milieu. Certaines protéines bactériennes (de bactéries thermophiles) sont stables à des températures voisines de 100°C. En chauffant une solution de protéines, on accroît l'énergie de vibration des atomes et l'énergie de rotation autour des liaisons . Ceci entraîne au delà d'une limite, variable d'une protéine à l'autre, une perturbation de la structure tertiaire et une précipitation.
Les protéines qui sont particulièrement résistantes vis à vis de l'augmentation de température sont les protéines qui possèdent des ponts disulfure en quantité importante.

5.2 Dénaturation des protéines par des composés chimiques variés

Les solvants organiques miscibles, les polymères non ioniques hydrophiles (exemple : polyéthylène glycol), les polyélectrolytes (exemple : dextran sulfate) , les ions métalliques polyvalents peuvent provoquer la dénaturation et la précipitation des protéines.

5.3 Dénaturation par les agents chaotropiques et les détergents

Les agents chaotropiques (urée ou chlorhydrate de guanidinium à concentration allant de 6 à 8M) provoquent une désorganisation des structures secondaire, tertiaire et éventuellement quaternaire des protéines. La perturbation structurale est assez souvent réversible. Il suffit d'éliminer l'agent chaotropique par dialyse pour que la protéine retrouve sa structure native. Les agents chaotropiques provoquent l'afflux de molécules d'eau dans les zones hydrophobes, déstabilisant ainsi les interactions responsables de la structure tridimensionnelle.

Les détergents - le plus utilisé est le dodecylsulfate de sodium ou SDS- agissent à concentration plus faible que les agents chaotropiques. Ils s'introduisent dans les zones hydrophobes de la protéine et détruisent les interactions hydrophobes impliquées dans la conformation native de la protéine. L'élimination des détergents permet fréquemment de rétablir la structure native de la protéine.

6. Gélification

Un gel est constitué de macromolécules reliées les unes aux autres dans un réseau déformable , mou et élastique. A l'échelle macroscopique, le gel peut être considéré comme un solide dans la mesure où il est capable de conserver l'énergie mécanique lors qu'il subit une déformation. Le gel est souvent transparent car le maillage du réseau est très fin : la taille des mailles et le diamètre des filaments est compris entre 1 et 100 nm.

Un certain nombre de protéines (la gélatine, la caséine, la myosine) sont capables de former des gels dans diverses conditions. La capacité de ces protéines à former des gels est d'une grande importance dans le domaine agro-alimentaire.
Une solution de biopolymères peut être transformée en gel en modifiant la température ou en ajoutant un composé chimique.