La découverte de l’hélice α et du feuillet β, les principales caractéristiques structurelles des protéines

Abstrait

Les articles duPNAS de Linus Pauling, Robert Corey et Herman Branson au printemps 1951 ont proposé l’hélice α et le feuillet β, maintenant connus pour former les squelettes de dizaines de milliers de protéines. Ils ont déduit ces blocs de construction fondamentaux des propriétés des petites molécules, connues à la fois par les structures cristallines et par la théorie de la résonance de la liaison chimique de Pauling qui prédisait des groupes peptidiques planaires. Les tentatives antérieures d’autres personnes pour construire des modèles d’hélices de protéines avaient échoué à la fois parce qu’elles incluaient des peptides non planaires et parce qu’elles insistaient sur des hélices comportant un nombre entier d’unités par tour. À bien des égards, les modèles de Pauling-Corey-Branson étaient étonnamment corrects, y compris les longueurs de liaison dont la précision n’a pas été dépassée pendant >40 ans. Cependant, ils ne considéraient pas la main de l’hélice ou la possibilité de feuilles pliées. Ils ont également proposé des structures et des fonctions qui n’ont pas été retrouvées, notamment l’hélice γ.

Une décennie avant que les structures de protéines entières ne soient révélées pour la première fois par la cristallographie aux rayons X, Linus Pauling et Robert Corey, de l’Institut de technologie de Californie (figure 1), ont déduit les deux principales caractéristiques structurelles des protéines : l’hélice α et le feuillet β, dont on sait aujourd’hui qu’ils forment les squelettes de dizaines de milliers de protéines. Leurs déductions, triomphes dans la construction de modèles de grandes molécules basés sur les caractéristiques de molécules plus petites, ont été publiées dans une série de huit articles, communiqués aux PNAS en février et mars 1951. Leur travail a eu une importance pour les protéines comparable à celle, deux ans plus tard, de l’article de Watson-Crick sur l’ADN, qui a adopté l’approche de construction de modèles de Pauling-Corey. Je résume ici les points principaux de ces articles historiques, puis je mentionne certaines omissions surprenantes de ceux-ci.

iv xmlns:xhtml= »http://www.w3.org/1999/xhtml Fig. 1.

Linus Pauling et Robert Corey (A) et Herman Branson (B). La profonde compréhension de Pauling de la structure chimique et de la liaison, sa mémoire rémanente des détails et son flair créatif ont été autant de facteurs dans la découverte de l’hélice α. Robert Corey était un cristallographe à rayons X digne et timide, doté du savoir-faire et de la patience nécessaires pour élaborer des structures difficiles, fournissant à Pauling les informations fondamentales dont il avait besoin. Herman Branson était un physicien en congé à l’Institut de technologie de Californie, qui a été chargé par Pauling de trouver toutes les hélices conformes aux règles de la chimie structurale que lui et Corey avaient déterminées. L’hélice en bois de Pauling et Corey a une échelle de 1 pouce par Å, soit un agrandissement de 254 000 000 fois. (A) Avec l’aimable autorisation des archives de l’Institut de technologie de Californie. (B) Avec l’aimable autorisation des archives de la Lincoln University of Pennsylvania.

Le plus révolutionnaire de ces articles est le premier, soumis aux PNAS le jour du 50e anniversaire de Pauling, le 28 février 1951. Il s’agit de La structure des protéines : Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain (1), dans lequel Pauling et Corey sont rejoints par un troisième coauteur, H. R. Branson, un physicien afro-américain, alors en congé de son poste de professeur à l’université Howard (Fig. 1). Dans le paragraphe d’introduction, les auteurs déclarent que « nous avons abordé le problème de la structure des protéines de plusieurs façons. L’un de ces moyens est la détermination complète et précise de la structure cristalline des acides aminés, des peptides et d’autres substances simples liées aux protéines, afin d’obtenir des informations sur les distances interatomiques, les angles de liaison et d’autres paramètres de configuration qui permettraient de prédire de manière fiable des configurations raisonnables de la chaîne polypeptidique ». En d’autres termes, le chimiste structural Pauling pensait qu’avec une liste précise des pièces des protéines en main, il serait en mesure de déduire les principaux aspects de leur architecture globale, ce qui s’est avéré être le cas.

Les deux paragraphes suivants exposent de manière concise la méthode : « Le problème que nous nous sommes posé est celui de trouver toutes les structures à liaison hydrogène pour une seule chaîne polypeptidique, dans laquelle les résidus sont équivalents (à l’exception des différences de la chaîne latérale R). » Autrement dit, les auteurs ont cherché toutes les structures répétitives possibles (hélices) dans lesquelles le groupe carbonyle CEmbedded ImageO de chaque résidu d’acide aminé accepte une liaison hydrogène N-H d’un autre résidu. Pourquoi pensaient-ils qu’il n’y aurait qu’un petit nombre de types d’hélices ? En raison des contraintes imposées à la structure par les longueurs de liaison précises et les angles de liaison qu’ils avaient trouvés dans leurs études antérieures des structures cristallines des acides aminés et des peptides, les composants à partir desquels les protéines sont construites. Ces contraintes sont résumées dans le troisième paragraphe de leur article, qui précise à trois chiffres significatifs les longueurs de liaison et les angles de liaison qu’ils avaient trouvés.† La contrainte la plus importante était que les six atomes du groupe amide (ou peptide), qui relie chaque résidu d’acide aminé au suivant dans la chaîne protéique, se trouvent dans un seul plan. Pauling avait prédit des groupes peptidiques planaires en raison de la résonance des électrons entre la double liaison du groupe carbonyle et la liaison C-N de l’amide du groupe peptidique (schéma 1).

Schéma 1.

En fait, de tels groupes peptidiques planaires avaient été observés dans les structures cristallines de la N-acétylglycine et de la β-glycylglycine. Comme le disent les auteurs : « Cette caractéristique structurelle a été vérifiée pour chacun des amides que nous avons étudiés. De plus, la théorie de la résonance est maintenant si bien fondée et sa corroboration expérimentale si étendue qu’il ne peut y avoir le moindre doute quant à son application au groupe amide. »

Lorsque Pauling, Corey et Branson ont construit des hélices avec des groupes amides planaires, avec les dimensions précises des liaisons qu’ils avaient observées dans les structures cristallines, et avec des liaisons hydrogène linéaires de longueur 2,72 Å, ils ont constaté qu’il n’y avait que deux possibilités. Ces deux-là, ils les ont appelées l’hélice à 3,7 résidus par tour et l’hélice à 5,1 résidus par tour (figure 2), bientôt appelées l’hélice α et l’hélice γ.

Fig. 2.

L’hélice α (à gauche) et l’hélice γ (à droite), telles que représentées dans l’article de 1951 de Pauling, Corey et Branson (1). Les biochimistes noteront que les groupes CEmbedded ImageO de l’hélice α pointent dans la direction de son extrémité C, alors que ceux de l’hélice γ pointent vers son extrémité N, et, en outre, que l’hélice α représentée est gauchère et constituée d’acides aminés d. (Reproduit avec la permission de Linda Pauling Kamb.)

Une grande partie du reste de ce court et brillant article est consacrée à une comparaison de ces deux hélices avec des hélices proposées précédemment par d’autres, notamment Bragg, Kendrew et Perutz (2) dans un article publié l’année précédente, qui tentait d’énumérer toutes les hélices protéiques possibles, mais qui manquait ces deux-là. Dans leur article sur l’hélice α, Pauling et al. adoptent un ton de triomphe : « Aucun de ces auteurs ne propose ni notre hélice de 3,7 résidus ni notre hélice de 5,1 résidus. D’autre part, nous éliminerions par nos postulats de base toutes les structures proposées par eux. La raison de la différence entre les résultats obtenus par d’autres chercheurs et par nous grâce à des arguments essentiellement similaires est que Bragg et ses collaborateurs… n’ont discuté en détail que des structures hélicoïdales avec un nombre entier de résidus par tour, et de plus ils n’ont fait qu’une approximation grossière des exigences concernant les distances interatomiques, les angles de liaison et la planéité du groupe amide conjugué, telles qu’elles ont été données par nos recherches sur des substances plus simples. Nous soutenons que ces caractéristiques stéréochimiques doivent être très étroitement conservées dans les configurations stables des chaînes polypeptidiques des protéines, et qu’il n’y a pas de stabilité particulière associée à un nombre intégral de résidus par tour dans la molécule hélicoïdale. » En bref, la stéréochimie est importante pour déterminer quelles hélices sont possibles, et la symétrie intégrale n’a aucun rôle quel qu’il soit.

Aujourd’hui, nous acceptons sans broncher que les hélices n’ont pas besoin d’avoir un nombre intégral d’unités monomères par tour. Mais en 1950, la formation cristallo-graphique de Bragg, Kendrew et Perutz, trois des plus grands spécialistes des structures du 20e siècle, les a encombrés de la notion de nombre intégral d’unités par cellule unitaire. Ils n’ont pas non plus compris la nécessité des groupes peptidiques planaires. Travaillant dans le département de physique de l’université de Cambridge (Cambridge, Royaume-Uni), ils n’avaient pas conscience de la conjugaison avec les doubles liaisons voisines. Le professeur de chimie organique de Cambridge à l’époque était Alexander Todd, qui travaillait de l’autre côté de la cour de Bragg et de son équipe. Todd se souvient (3) que « malgré la proximité, Bragg n’a jamais, à ma connaissance, mis les pieds dans le laboratoire de chimie… jusqu’au jour où… il est venu dans ma chambre dans un état d’esprit quelque peu agité, avec un tas de papiers à la main », dont celui de Pauling-Corey-Branson et le sien sur les hélices. Bragg demanda à Todd s’il préférait l’hélice α aux hélices que Bragg et ses collègues avaient inventées. Todd a répondu : « Je pense que, compte tenu des preuves, tout chimiste organique accepterait le point de vue de Pauling. En effet, si à n’importe quel moment depuis que je suis à Cambridge, vous étiez venu au laboratoire de chimie, je… vous aurais dit cela. »

L’idée de l’hélice α non intégrale était venue à Pauling 3 ans auparavant, alors qu’il était professeur invité à l’Université d’Oxford. Il avait pris froid par temps humide et avait passé plusieurs jours au lit. Il se souvient (4) qu’il s’est vite ennuyé avec les romans policiers et « Je n’avais pas de modèles moléculaires avec moi à Oxford, mais j’ai pris une feuille de papier et j’ai esquissé les atomes avec les liaisons entre eux, puis j’ai plié le papier pour plier une liaison au bon angle, ce que je pensais qu’elle devait être par rapport à l’autre, et j’ai continué à faire cela, en faisant une hélice, jusqu’à ce que je puisse former des liaisons hydrogène entre un tour de l’hélice et le tour suivant de l’hélice, et il n’a fallu que quelques heures de ce travail pour découvrir l’α-hélice. »

Pourquoi Pauling a-t-il tardé 3 ans à publier cette découverte qui lui est venue en quelques heures seulement ? Il a donné la réponse dans son discours de banquet lors du troisième symposium de la Protein Society à Seattle en 1989. Il était mal à l’aise parce que le diagramme de diffraction de l’α-kératine montre comme principale caractéristique méridienne une forte réflexion à une résolution de 5,15 Å, alors que la répétition de l’hélice α calculée à partir de ses modèles avec Corey était à 5,4 Å. Comme il le dit dans son quatrième article de la série PNAS avec Corey : « L’arc de 5,15 Å semble à première vue exclure l’hélice α, pour laquelle la période de l’axe c doit être un multiple de la distance de l’axe par tour… » Mais vint l’article de 1950 de Bragg, Kendrew et Perutz énumérant les hélices potentielles des protéines. Pauling a déclaré à son auditoire en 1989 : « Je savais que s’ils pouvaient trouver toutes les mauvaises hélices, ils ne tarderaient pas à trouver la seule bonne, et j’ai donc ressenti le besoin de la publier. »

L’origine de la divergence entre la répétition de l’hélice α et la réflexion des rayons X de l’α-kératine a été frappée un an plus tard par Francis Crick (5), alors étudiant diplômé chez Perutz, et également par Pauling. C’est que la kératine est une bobine enroulée, avec des hélices α s’enroulant les unes autour des autres. La plus grande excursion de l’hélice α dans le coiled-coil réduit sa distance de répétition à 5,1 Å. Ce don de savoir quel fait contradictoire ignorer était l’une des grandes capacités de Pauling en tant que scientifique créatif.

Les feuilles β

Le deuxième article de la série est apparu comme l’un des groupes de sept dans un seul numéro de PNAS. Il s’agissait de : Le feuillet plissé, une nouvelle configuration en couches des chaînes polypeptidiques (6). Dans cet article, Pauling et Corey rapportent qu’ils ont découvert une configuration en couches de chaînes polypeptidiques liées par des liaisons hydrogène, dans laquelle les groupes peptidiques planaires se trouvent dans le plan de la feuille, et les chaînes protéiques successives peuvent aller dans des directions opposées, donnant une feuille antiparallèle, ainsi qu’une feuille parallèle. Dans les deux cas, des liaisons H linéaires sont à nouveau formées, mais entre les chaînes de protéines plutôt qu’au sein d’une seule chaîne. Il en résulte des chaînes protéiques qui ne sont pas entièrement étendues : l’élévation par résidu est de 3,3 Å, un espacement observé dans les schémas de diffraction des rayons X de la β-kératine, plutôt que 3,6 Å, attendu pour une chaîne protéique entièrement étendue.

Confirmation des modèles α-hélice et β-feuillets

La confirmation de l’α-hélice est venue de Max Perutz, l’un des trois auteurs de l’article de 1950 qui avait énuméré les mauvaises hélices. Un samedi matin du printemps 1951, il est tombé sur l’article du PNAS (7). « J’ai été stupéfait par l’article de Pauling et Corey. Contrairement aux hélices de Kendrew et de moi-même, la leur était exempte de déformation ; tous les groupes amides étaient planaires et chaque groupe carbonyle formait une liaison hydrogène parfaite avec un groupe imino quatre résidus plus loin dans la chaîne. La structure semblait parfaite. Comment avais-je pu la manquer ? J’ai pédalé jusqu’à la maison pour déjeuner et je l’ai mangé en oubliant les bavardages de mes enfants et sans répondre aux demandes de ma femme qui voulait savoir ce que j’avais aujourd’hui. »

Soudain, Perutz a eu une idée : « L’hélice α de Pauling et Corey ressemblait à un escalier en spirale dans lequel les résidus d’acides aminés formaient les marches et la hauteur de chaque marche était de 1.5 Å. Selon la théorie de la diffraction, cette répétition régulière devrait donner lieu à une forte réflexion des rayons X à un espacement de 1,5 Å à partir de plans perpendiculaires à l’axe de la fibre… Dans une excitation folle, je suis retourné au laboratoire et j’ai cherché un crin de cheval que j’avais rangé dans un tiroir… » et je l’ai placé dans le faisceau de rayons X à un angle de 31° par rapport au faisceau pour amener la répétition de 1,5 Å en position de réflexion. « Après quelques heures, j’ai développé le film, le cœur sur la main. Dès que j’ai allumé la lumière, j’ai trouvé une forte réflexion à un espacement de 1,5-Å, exactement comme l’exigeait l’hélice α de Pauling et Corey. »

Le lundi matin, Perutz a montré son image de diffraction des rayons X à Bragg. « Quand il m’a demandé ce qui m’avait fait penser à cette expérience cruciale, je lui ai dit que l’idée avait été déclenchée par ma fureur d’avoir manqué de construire moi-même cette belle structure. La réponse rapide de Bragg a été : « J’aurais aimé vous mettre en colère plus tôt ! », car la découverte de la réflexion de 1,5 Å nous aurait conduits directement à l’hélice α. » Perutz a également découvert la réflexion de 1,5 Å dans la diffraction de l’hémoglobine. Il écrit à Pauling (8) : « La réalisation de cette prédiction et, finalement, la découverte de cette réflexion dans l’hémoglobine a été la découverte la plus passionnante de ma vie. » Perutz, avec ses collègues Dickerson, Kendrew, Strandberg et Davies, devait faire des découvertes encore plus palpitantes par la suite, notamment en voyant des images directes d’α-hélices dans la myoglobine et l’hémoglobine.

Lesβ-feuillets et les β-ribbons simple brin ont été vus pour la première fois dans des protéines globulaires comme dans la structure du lysozyme de blanc d’œuf en 1965 (9). Une première surprise a été que les brins et les feuilles sont tordus, contrairement aux brins droits et aux feuilles plissées de Pauling et Corey. En 1989, Pauling s’est souvenu que dès qu’il avait vu la structure du lysozyme avec son feuillet torsadé, il avait compris qu’il aurait dû intégrer la torsion dans le modèle original. Plus récemment, il y a eu des analyses approfondies de la torsion et du cisaillement dans les structures β (10, 11).

Certaines omissions surprenantes des articles de 1951

Les chimistes qui examinent attentivement l’hélice α de la figure 2 remarqueront deux caractéristiques surprenantes : (i) C’est une hélice gauchère, contrairement aux hélices α des protéines biologiques, dont on sait maintenant qu’elles sont droitières. C’est-à-dire que si votre pouce gauche pointe le long de l’axe de l’hélice, l’hélice tourne dans le sens des doigts de la main gauche. (ii) La configuration des groupes chimiques autour de chaque atome de carbone α a la configuration d, plutôt que la configuration l naturelle des résidus d’acides aminés dans les protéines. En d’autres termes, ce modèle de Pauling et al. est l’image miroir d’une hélice α dans une protéine naturelle. En revanche, l’hélice γ de la figure 2 est une hélice droite composée de résidus d’acides aminés. Pourquoi les auteurs ont-ils choisi de dessiner l’hélice α comme étant gauchère, avec des acides d-aminés ?

La base de ce choix a été récemment analysée par Dunitz (12), qui avait été un boursier postdoctoral à l’Institut de Technologie de Californie à l’époque des recherches de Pauling-Corey. En fait, c’est Dunitz qui a persuadé Pauling de changer sa terminologie de « spirale » à « hélice » pour décrire les nouvelles structures protéiques. Dans son analyse, Dunitz note que 1951, l’année de l’hélice α, est aussi l’année où J. M. Bijvoet a établi la configuration absolue des molécules par la diffusion anormale des rayons X. Il a également fait remarquer que l’hélice α n’est pas un phénomène nouveau. Après avoir rappelé les discussions sur la mainmise à l’Institut de technologie de Californie cette année-là, Dunitz conclut : « Soit Pauling n’était pas au courant de ces développements lorsqu’il a écrit l’article sur l’hélice α, soit il les connaissait mais ne s’y intéressait pas…. J’ai tendance à croire que lorsqu’ils ont rédigé l’article, ou peut-être même lorsqu’ils ont créé les modèles, Pauling (ou son collègue Robert B. Corey) a simplement choisi l’une des deux configurations d’acides aminés (en l’occurrence, la mauvaise) pour illustrer les structures hélicoïdales et n’a pas réfléchi au problème de la configuration absolue… Les problèmes de configuration absolue n’ont reçu que peu ou pas d’attention, car ils ne semblaient pas nécessaires à l’époque. Ils étaient peut-être même considérés comme une distraction par rapport à la tâche à accomplir. Parfois, on peut se concentrer plus clairement en fermant un œil. »

Dans le premier article, il n’y a rien de plus qu’une mention passagère de l’hélice 310, un composant des protéines globulaires que l’on trouve rarement dans les segments courts, mais plus commun que l’hélice γ de Pauling-Corey-Branson, que l’on ne voit pratiquement jamais. Les liaisons H de l’hélice 310 sont un peu trop longues et courbées pour avoir été acceptables par les seuils stricts fixés par les auteurs. Leur intuition sur les liaisons hydrogène longues et courbées déstabilisant les structures était fondamentalement correcte, mais les seuils qu’ils ont fixés sont plus stricts que ceux utilisés aujourd’hui (13), maintenant que nous savons que la nature accepte l’hélice 310.

Une autre omission dans l’ensemble des articles de 1951 est le diagramme de Ramachandran. Il s’agit d’un tracé en 2D des valeurs autorisées de rotation autour des liaisons N-Cα et Cα-CEmbedded ImageO dans le squelette des protéines, introduit par Ramachandran et d’autres en 1964 (14). Ce diagramme montre que la plupart des valeurs de rotation autour de ces deux liaisons sont interdites par les collisions des atomes de la protéine. Seules deux grandes régions du diagramme sont autorisées : l’une correspond à l’hélice α, et l’autre aux chaînes presque étendues des feuillets β. Aujourd’hui, le diagramme de Ramachandran est enseigné dans tous les cours sur la structure des protéines et figure dans tous les manuels scolaires pour donner un aperçu des forces qui déterminent les structures des protéines. Mais il n’y a rien dans ce diagramme qui dépasse ce que Pauling et Corey savaient bien : ils ont construit des modèles de leurs structures proposées qui incarnent toutes les caractéristiques du diagramme de Ramachandran. Apparemment, ils comprenaient si bien les principes qu’ils ne ressentaient pas le besoin de les expliquer par un diagramme de ce type. Un autre facteur peut avoir été que Pauling et Corey se sont davantage concentrés sur la stabilité fournie par les liaisons hydrogène et moins sur les restrictions des structures possibles dictées par les collisions entre les atomes non liés.

Les six autres articles du PNAS par Pauling et Corey et le contexte plus large

Les six autres articles du PNAS donnent les coordonnées atomiques des modèles et interprètent les diagrammes de diffraction des protéines fibreuses en termes de modèles. Il y a beaucoup de choses dans ces articles qui n’ont pas été confirmées, y compris une proposition selon laquelle la contraction musculaire est une transition de β-brins étendus à des α-hélices compactes. Néanmoins, l’exactitude époustouflante de l’hélice α et des β-feuillets et l’approche audacieuse de la modélisation des structures biologiques à partir de principes chimiques éclipsent le reste.

Ces articles sont d’autant plus remarquables si l’on considère le contexte politique dans lequel ils ont été écrits. Au cours de cette période, Pauling a également été fortement impliqué dans la défense des universitaires, y compris lui-même, contre les accusations de déloyauté envers les États-Unis, provoquées par les pressions de la guerre froide et ce qui est devenu le maccarthysme. Il a été cité à comparaître devant diverses commissions d’enquête anticommunistes, il a reçu des lettres de haine pour son travail en faveur de causes libérales, et il a dû faire face à l’annulation de son important contrat de consultant et à la froideur de certains collègues du California Institute of Technology. Le lendemain du jour où Pauling et Corey ont soumis leurs sept articles sur les protéines pour publication, le House Un-American Activities Committee a désigné Pauling comme l’un des principaux Américains impliqués dans une « Campagne pour désarmer et vaincre les États-Unis » (8). Le communiqué de presse disait : « L’ensemble de son dossier… indique que le Dr Linus Pauling s’occupe principalement de mettre ses réalisations scientifiques au service d’une foule d’organisations qui ont en commun d’être totalement soumises au Parti communiste des États-Unis et à l’Union soviétique ». D’une manière ou d’une autre, même face à de telles fausses invectives et à de multiples distractions, Pauling a pu maintenir sa concentration en tant que scientifique créatif de haut niveau.

Remerciements

Je remercie David R. Davies, Richard E. Dickerson, Jack Dunitz, Richard E. Marsh et Doug Rees pour les discussions.

Notes de bas de page

  • ↵* Courriel : david{at}mbi.ucla.edu.

  • Cette perspective est publiée dans le cadre d’une série mettant en lumière des articles marquants publiés dans PNAS. Pour en savoir plus sur cet article classique de PNAS, consultez le site www.pnas.org/misc/classics.shtml.
  • ↵† Les longueurs des liaisons sont toutes à moins d’un écart-type de celles déterminées 40 ans plus tard (15).

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