3. Liaisons chimiques : A. Liaisons covalentes (MAO-A et rhodopsine)

Pré-requis : Pour bien comprendre les différents types de visualisation présentés ici, je vous recommande de lire mon 1er billet de blog 1. La tête dans un site actif : Le LSD couplé à son récepteur 5HT2.

Aujourd’hui, nous allons parler des types d’interactions possibles entre un ligand et sa protéine. L’idée est de vous montrer chaque type de liaison (exercice un peu rébarbatif, mais prérequis nécessaire pour la suite du blog) avec des exemples que j’espère vous trouverez intéressant, pour rendre le tout plus digeste.

Les protéines que je prendrai comme exemple seront principalement des récepteurs, mais toutes les interactions ligand-protéine partagent les mêmes types de liaisons. Le terme ligand quant à lui comprend toute entité chimique qui se lie à un récepteur pour l’activer ou le bloquer. Les ligands peuvent être de différentes classes : les petites molécules qui comprennent les neurotransmetteurs tels que la dopamine, mais aussi la plupart des drogues ; les peptides, qui sont des courtes séquences d’acides aminés (comme les bien connues endorphines) ; ou même des molécules de la classe des lipides tels que le THC.

De manière générale, une liaison est une interaction plus ou moins stable entre 2 atomes. Ici, j’utiliserai le terme interaction et liaison de façon interchangeable. Pour qu’il y ait liaison, il faut qu’une certaine force s’exerce entre les 2 atomes. La nature de la force d’attraction peut être différente suivant le type d’interaction. On parle aussi d’énergie de la liaison : plus l’énergie de la liaison est élevée, plus la force d’attraction est importante entre les 2 atomes, plus la liaison est stable. De même, plus la force d’attraction est importante, plus la liaison est courte.

On peut diviser les différents types de liaison en 2 grandes familles :
-    Les liaisons de forte énergie, dites liaisons covalentes.
-    Les liaisons de faible énergie.

Ce premier billet traitera des liaisons covalentes.

A. Les liaisons covalentes : Ligands « irréversibles »

Les liaisons covalentes sont des liaisons très stables, de haute énergie. Elles sont la base qui permet aux atomes de s’agencer en molécules. Ce type de liaison se produit lorsque 2 atomes partagent 2 électrons. Chaque atome possède une certaine électronégativité, c’est-à-dire une certaine capacité à attirer des électrons. Pour qu’une liaison covalente se crée, il ne faut pas que la différence d’électronégativité soit trop importante : Il ne faut pas qu’un atome attire trop l’électron de l’autre atome, sinon, ce n’est plus une liaison covalente.

Dans certains cas, un ligand possède la capacité de se lier de façon covalente à sa cible. Étant donné que ce type de liaison est très stable, on parle alors de ligand « irréversible », la durée de vie de la protéine étant inférieure à la durabilité de la liaison.

A.1. Les inhibiteurs des monoamides oxidases

Un exemple que vous connaissez surement, c’est le cas des inhibiteurs des monoamines oxydases (MAO). C’est une classe de composé pharmaceutique ayant une action antidépressive.  Les MAO sont des enzymes impliquées entre autres dans le métabolisme de la sérotonine, de la dopamine, de la noradrénaline et entre autres de certains hallucinogènes (dont le DMT). Inhiber ces enzymes, c’est augmenter le taux de ces neurotransmetteurs. La plupart des inhibiteurs des MAO (IMAO) pharmaceutiques sont dits « irréversibles » car cette classe de composés va former une liaison covalente avec les MAO, liaison qui restera stable quoi qu’il arrive jusqu'à la fin de vie de l'enzyme (ce qui prend quelques semaines). Si vous mangez de la tyramine en ayant bloqué l’intégralité de vos MAO avec un de ces médicaments, la tyramine ne pourra pas être métabolisée étant donné que le site actif est bloqué totalement, et vous risquez une crise hypertensive suivant la quantité ingérée.

Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir la MAO-A (vert) liée de façon covalente à son cofacteur, le FAD en gris (avec une partie en orange qui est la couleur des atomes de phosphore du phosphate) en complexe avec son inhibiteur irréversible la clorgyline en majenta, elle-même liée de façon covalente au FAD. Un cofacteur, c’est une molécule chimique qui va interagir avec une enzyme pour l’aider dans ses réactions chimiques.

Cette structure expérimentale a été téléchargée de la Protein Data Bank (PDB), un site qui rassemble toutes les structures expérimentales connues, partagée et disponible pour tous à cette adresse ici : https://www.rcsb.org/structure/2BXS. Sur l’image B, j’ai mis la structure de la protéine en transparent pour qu’on puisse mieux percevoir la position du FAD et de la clorgyline à l’intérieur de la protéine.

Curieusement, la nature a créé aussi d’autres types d’IMAO. C’est le cas de l’harmine et de l’harmaline, des composés retrouvés dans le caapi et les graines de syrian rue. Ces 2 composés sont des IMAO dits « réversibles » étant donné qu’ils ne forment pas de liaison covalente avec l’enzyme. La liaison est donc temporaire, réversible : elle peut être brisée si l’on met les enzymes en présence d’un autre ligand à une concentration suffisante. L’ingestion d’une grande quantité de tyramine va pouvoir déloger l’inhibiteur, ce qui rend les IMAO réversibles bien moins dangereux.

L’image ci-dessus est un zoom au niveau de la cavité de la MAO-A. Dans la première image, la clorgyline est liée de façon irréversible par liaison covalente au FAD (et donc à l’enzyme puisque le FAD est aussi lié par liaison covalente à l’enzyme (non affiché). La seconde image est un zoom sur une seconde structure expérimentale de la même enzyme MAO-A, toujours liée à son cofacteur le FAD, mais ce coup-ci en complexe (donc en association) avec l’harmine. Vous pouvez noter que l’harmine n’as pas la liaison covalente avec le FAD. Elle peut ainsi être délogée du site actif si une molécule avec une meilleure affinité (ou une plus grande concentration) arrive à proximité de l’enzyme.

A.2. La rhodopsine

Un autre exemple intéressant est celui de la rhodopsine, un récepteur qui nous permet de percevoir la lumière (les photons). Ce récepteur est situé sur la membrane de vos neurones au niveau de la rétine. Ce récepteur fait lui aussi partie de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs). C'est d'ailleurs la première structure expérimentale de GPCR qui a été résolue en 2000. Ce récepteur présente naturellement un ligand, le rétinal (une petite molécule), lié de façon covalente au site actif du récepteur. Le rétinal est naturellement lié de façon covalente à un acide-aminé du récepteur présent dans le site actif de celui-ci. Il se produit une réaction entre le groupement aldéhyde (R-CHO) du rétinal et le groupement amine (R-NH3+) de la lysine du récepteur.

Edit : C'est bien rhodopsin (ou rhodopsine en français) et pas rhodospin(e) !

Lorsqu'un photon tape sur ce ligand à l'intérieur de la rhodopsine, le rétinal passe d'une conformation CIS à une conformation TRANS, ce qui provoque un réarrangement du site actif et in fine, l'activation du récepteur.

Sur l’image du dessous, vous pouvez voir à gauche la structure de la rhodopsine en vert. Dans l’image du milieu, on distingue le rétinal en gris et sa liaison covalente avec le 296ième acide-aminé du récepteur, qui est une lysine (en magenta).

Ci-dessous un zoom sur le retinal en gif :

Voilà, c'est tout pour aujourd'hui ! J'ai commencé par les exceptions avec les ligands irréversibles, mais dans la partie 2 je détaillerai toutes les interactions de faibles énergies. N'hésitez pas à me poser des questions si vous en avez, et toute remarque est la bienvenue. Merci pour votre lecture.

Si vous ne les avez pas déjà lus, mes autres billets sont ici :
1. La tête dans un site actif : Le LSD couplé à son récepteur 5HT2
2. Prédire la cardiotoxicité d'un RC ? RdR par l'IA