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Les protéines des graines

dimanche 17 août 2008, par Allerdata


Les végétaux représentent une part importante, et parfois essentielle, des apports nutritionnels : polysaccharides comme l’amidon, triglycérides dans les graines oléagineuses, protéines dans les organes de réserve (ex. tubercules) et dans les graines.

Les graines des céréales et celles des Fabacées sont la principale source de protéines végétales en alimentation humaine.

La majeure partie des protéines dans les graines a un rôle statique : ce sont des protéines stockées en vue d’être utilisées au moment de la germination. Une petite partie des protéines joue un rôle métabolique ou de défense contre les agressions.

Les protéines de stockage des graines

Ces protéines sont d’une grande variété, tant au sein d’une même graine qu’entre graines d’espèces et de familles botaniques différentes.

Malgré tout, des appellations transversales leur ont été données, basées dans un premier temps sur des propriétés physiques (albumines, globulines, 2S, 7S, 11S, ..) puis sur des homologies séquentielles et/ou structurelles (ex. super-famille des cupines).

Ces appellations sont d’un abord difficile :

1- Les différences de solubilité des protéines :
Osborne en 1924 a introduit une méthode de séparation des protéines en fractions différant par leur aptitude à se dissoudre dans tel ou tel liquide : les albumines sont solubles dans l’eau, les globulines sont solubles dans une solution salée, les prolamines dans une solution alcoolique (= les gliadines pour la farine de blé) et les glutélines dans une solution acide ou basique (= les gluténines pour le blé).

2- Les dénominations d’albumines et de globulines se superposent à peu près à une autre propriété physique qui est la vitesse de sédimentation des protéines en solution sous l’effet d’une centrifugation énergique. Cette séparation est quantifiée en unité S (Svedsen) : les 2S sont plus légères que les 7S, les 11S, etc.. et sont habituellement solubles dans l’eau : on a des 2S albumines. Les 7S sont généralement des globulines, de même que les 11S, etc..

3- Les progrès dans le séquençage des protéines et dans la classification en familles moléculaires ont permis de mieux comprendre :
– la relation entre la structure et l’activité biochimique des protéines
– les assemblages intra- et inter-moléculaires
– la résistance aux stress thermiques
– les parentés entre protéines et entre groupes de protéines (phylogénèse)

Ce dernier point intéresse l’immunologie puisqu’il permet de comprendre les réactivités croisées. Cependant, la classification opérée par les biochimistes et les bio-informaticiens, si elle aide souvent l’allergologue, peut aussi l’embrouiller.

Ainsi les prolamines sont diverses sortes de protéines de stockage trouvées dans les graines de céréales, mais représentent aussi le nomd’une super-famille dont les membres (LTP, 2S albumines, gliadines, etc..) ne sont que de vagues cousins. Une sensibilisation aux LTP peut induire des réactions à plusieurs produits contenant des LTP (ex ; fruits des Rosacées) mais ne se prolonge pas vers une réactivité croisée avec les gliadines du blé ou avec Ara h 2, une 2S albumine de l’arachide, par exemple.


La figure ci-dessous montre différentes sortes de protéines appartenant à la super-famille des prolamines. Les domaines non-répétitifs sont en blanc et les domaines répétitifs en couleurs. Des différences existent entre les motifs répétés d’acides aminés (couleurs différentes), tandis que les domaines non-répétitifs possèdent tous un motif caractéristique de cystéines.

De même les cupines sont une super-famille artificielle contenant à la fois des protéines de stockage (ex. Ara h 1 ou Ara h 3 dans l’arachide) et d’autres familles de protéines (ex. les germines) .

4- Très souvent les protéines sont présentes sous de multiples variantes dans la même plante. Ces « isoformes » sont le résultat de plusieurs facteurs :
– plusieurs gènes homologues sont présents et exprimés dans le même organe de la plante : variations de séquence d’acides aminés
– les isoformes sont diversement glycosylées après leur synthèse : variations de masse moléculaire
– certaines protéines sont des assemblages de sous-unités diverses : pluralité des masses moléculaires finales
– des liaisons sont parfois créées entre protéines similaires donnant naissance à des réseaux inter-moléculaires très étendus. Les masses sont alors variées et on parle non pas d’une protéine mais d’un groupe de protéines (ex. gluténines du blé)

5- Les procédés visant à caractériser les protéines font appel à des méthodes séparatives. Ces méthodes sont tantôt peu sélectives (ex. solubilité, sédimentation), tantôt déstructurantes. Ainsi la séparation électrophorétique fait souvent appel à un agent tensio-actif, le SDS (sodium dodécyl-sulfate) qui rompt les liaisons faibles entre sous-unités et/ou protéines, telles les liaisons H (hydrogène). On observe alors en électrphorèse des bandes dont la masse ne correspond plus à la masse initiale des protéines.

De même quand le procédé de séparation inclut un pré-traitement dit « réducteur » qui, pour sa part, rompt les ponts SS (di-sulfures) établis entre sous-unités et/ou protéines. Au total, on observe une multiplicité de bandes dont l’ordre des masses n’a souvent rien à voir avec la masse de la protéine d’origine.

Par exemple, des 11S plus légères que des 7S.

Quand la technique séparative est complétée par une révélation avec le sérum de patients on aboutit alors à des bandes pouvant avoir un nom d’allergène précis mais incomplet (ex. sous-unité béta de la conglycinine) ou, inversement, à un allergène réparti sur quelques bandes (ex. isoformes).

6- Enfin, des noms vernaculaires tendent à rendre encore plus complexe la compréhension des homologies et parentés entre protéines des graines.


Le tableau ci-dessous donne un aperçu de ces difficultés de dénomination :

Super-famille Solubilité Famille Protéines Apparentées Rôle(s)
Cupines Eau + sel 11S globulines

Légumine-like		 Légumine (pois),

Glycinines (soja),

α conglutine (lupin),

Cruciférine (colza, moutarde),

Hélianthinine (tournesol),

Arachines (Ara h 3/4 arachide),

Amandine (amande),

et sésame, sarrasin fruits à coque, etc..		 Glutélines (riz) *

Avoine		 Stockage
Cupines Eau + sel 7S globulines

Viciline-like		 Viciline (pois),

β et γ conglycinine (soja),

β conglutine (lupin),

Phaséoline (haricot),

Conarachine (Ara h 1 arachide),

et sésame et fruits à coque, etc..		 Convicilines (pois),

γ conglutine (lupin, amande)

Sucrose binding protein (soja, lentille)		 Stockage
Cupines Eau Germine-like Germine (germe de blé),

Poivre		 Défense
_________ ________ ______________ ___________ __________ _______
Prolamines Eau 2S albumines Napines (colza),

α conglutine (soja),

δ conglutine (lupin),

Conglutines (Ara h 2/6 arachide),

et sésame, sarrasin, moutarde, fruits à coque, etc..		 Protéines PA1/PA2 (pois, pois chiche) Stockage et ± défense
Prolamines Eau L T P

(lipid transfer proteins)		 Céréales, fruits à coque, arachide, tournesol, châtaigne, etc.. etc.. Soybean hydrophobic protein (Gly m 1 soja) Défense
Prolamines Eau A T I

(inhibiteurs

d’amylase

trypsine)		 Blé, orge, seigle, riz, maïs, millets Défense
Prolamines Alcool "Prolamines"

(monomériques)		 αβ, γ et ω Gliadines (blé),

Hordéines B et C (orge),

Sécalines (seigle)		 Avénines (avoine),

α zéines (maïs) **		 Stockage
Prolamines Acide ou alcali "Glutélines"

(± polymériques)		 Gluténines (blé),

Hordéines D (orge),

β, γ et δ zéines (maïs)		 Stockage
Prolamines Eau Indolines Puroindoline (blé) Défense

* Les glutélines du riz sont peu solubles en milieu alcalin et plutôt proches des 11S globulines

** Il existe des protéines équivalentes dans d’autres Panicoïdées (sorgho, millets)

Autres protéines des graines

Il existe de très nombreuses autres sortes de protéines IgE-réactives dans les graines. Beaucoup d’entre elles ont un rôle défensif. Elles sont en général hydrosolubles, c’est-à-dire présentes dans les extraits des farines et des graines.

Parmi les principales, on peut citer :
– des oléosines : ces protéines de 15-25 kDa stabilisent les globules graisseux et sont donc retrouvées surtout dans les graines oléagineuses (arachide, coton, soja, colza, sésame, noisette, ..)
– des inhibiteurs de protéases : serpines (blé), Bowman-Birk (soja), Kunitz (soja), Potato-1 (sarrasin), cystatines (soja)
– des protéines PR de défense végétale : PR-10 Bet v –like (noisette, graines de Fabacées ou d’Apiacées, pavot, ..), chitinases (châtaigne, blé, ..), LTP (toutes les graines), thaumatine-like (blé), peroxydases (céréales), thionines (céréales)
– des enzymes du métabolisme oxydatif et énergétique : amylases (soja, blé, orge), glyoxalase (riz), Mn-superoxyde dismutase (pistache), thiorédoxines (maïs, blé), lipoxydases (soja), etc..
– des profilines, bien sûr
– etc.. etc..

[1] - Popineau Y, Denery-Papini S. Les protéines de réserve du grain de blé. in "Protéines végétales", Godon B., Lavoisier Technique et Documentation, Paris 1996, pp.121-170
↩
[2] - Guéguen J, Lemarié J. Composition, structure et propriétés physicochimiques des protéines de légumineuses et d'oléagineux. in "Protéines végétales", Godon B., Lavoisier Technique et Documentation, Paris 1996, pp.81-118
↩
[3] - Mills ENC, Jenkins J, Marigheto N, Belton PS, Gunning AP, Morris VJ. Allergens of the cupin superfamily. Biochem Soc Trans 2002;30:925-929
The cupin family comprises a family of proteins possessing a common beta-barrel structure that is thought to have originated in a prokaryotic ancestor. This structural motif is found as a single domain in fungal spherulins, fern sporulins and the germins/oxalate oxidase proteins of plants, while the globular storage proteins of plants, called legumins (11 S) and euvicilins (7 S), are two-domain cupins. The 11 S globulins are hexameric heteroligomeric proteins of Mr ~ 360000, with each subunit comprising an acidic 30000ˆ40000-Mr polypeptide that is disulphide-linked to a 20000-Mr basic polypeptide. A number of cupins have been identified as major plant food allergens, including the 7 S globulins of soybean (beta-conglycinin), peanut (conarachin; Ara h 1), walnut (Jug r 2) and lentil, and the 11 S globulins of peanut (arachin; Ara h 3), soybean (glycinin) and possibly also coconut and walnut. Other members of the cupin superfamily have not been identified as allergens, with the exception of one germin (germination-specific protein) from pepper. Cupins are generally very stable proteins. A summary of our current knowledge of allergenic seed storage globulins will be presented, together with an overview of cupin structure and stability properties, as illustrated by the allergenic soya globulins, glycinin and beta-conglycinin.
↩
[4] - Shewry PR, Halford NG. Cereal seed storage proteins: structures, properties and role in grain utilization. J Exp Bot 2002;53:947-958
Storage proteins account for about 50% of the total protein in mature cereal grains and have important impacts on their nutritional quality for humans and livestock and on their functional properties in food processing. Current knowledge of the structures and properties of the prolamin and globulin storage proteins of cereals and their mechanisms of synthesis, trafficking and deposition in the developing grain is briefly reviewed here. The role of the gluten proteins of wheat in determining the quality of the grain for breadmaking and how their amount and composition can be manipulated leading to changes in dough mixing properties is also discussed.
↩
[5] - Mills ENC, Jenkins JA, Alcocer MJ, Shewry PR. Structural, biological, and evolutionary relationships of plant food allergens sensitizing via the gastrointestinal tract. Crit Rev Food Sci Nutr 2004;44:379-407
The recently completed genome sequence of the model plant species Arabidopsis has been estimated to encode over 25,000 proteins, which, on the basis of their function, can be classified into structural and metabolic (the vast majority of plant proteins), protective proteins, which defend a plant against invasion by pathogens or feeding by pests, and storage proteins, which proved a nutrient store to support germination in seeds. It is now clear that almost all plant food allergens are either protective or storage proteins. It is also becoming evident that those proteins that trigger the development of an allergic response through the gastrointestinal tract belong primarily to two large protein superfamilies: (1) The cereal prolamin superfamily, comprising three major groups of plant food allergens, the 2S albumins, lipid transfer proteins, and cereal alpha-amylase/trypsin inhibitors, which have related structures, and are stable to thermal processing and proteolysis. They include major allergens from Brazil nut, peanuts, fruits, such as peaches, and cereals, such as rice and wheat; (2) The cupin superfamily, comprising the major globulin storage proteins from a number of plant species. The globulins have been found to be allergens in plant foods, such as peanuts, soya bean, and walnut; (3) The cyteine protease C1 family, comprising the papain-like proteases from microbes, plants, and animals. This family contains two notable allergens that sensitize via the GI tract, namely actinidin from kiwi fruit and the soybean allergen, Gly m Bd 30k/P34. This study describes the properties, structures, and evolutionary relationships of these protein families, the allergens that belong to them, and discusses them in relation to the role protein structure may play in determining protein allergenicity.
↩
[6] - Breiteneder H, Radauer C. A classification of plant food allergens. J Allergy Clin Immunol 2004;113:821-831
Plant food allergens can be classified into families and superfamilies on the basis of their structural and functional properties. The most widespread groups of plant proteins that contain allergens are the cupin and prolamin superfamilies and the protein families of the plant defense system. The cupin superfamily includes allergenic seed storage proteins of the vicilin and legumin type present in soybeans, peanuts, and tree nuts. The prolamin superfamily includes several important types of allergens of legumes, tree nuts, cereals, fruits, and vegetables, such as the 2S albumin seed storage proteins, the nonspecific lipid transfer proteins, and the cereal -amylase and protease inhibitors. Plant food allergens are also found among the various groups of defense proteins that enable plants to resist biotic and abiotic stress, such as the pathogenesis-related proteins, certain proteases, and protease inhibitors. This review focuses on a classification system of plant food allergens that is emerging from the synopsis of allergology and protein evolution
↩
[7] - Breiteneder H, Mills ENC. Molecular properties of food allergens. J Allergy Clin Immunol 2005;115:14-23
Plant food allergens belong to a rather limited number of protein families and are also characterized by a number of biochemical and physicochemical properties, many of which are also shared by food allergens of animal origin. These include thermal stability and resistance to proteolysis, which are enhanced by an ability to bind ligands, such as metal ions, lipids, or steroids. Other types of lipid interaction, including membranes or other lipid structures, represent another feature that might promote the allergenic properties of certain food proteins. A structural feature clearly related to stability is intramolecular disulfide bonds alongside posttranslational modifications, such as N-glycosylation. Some plant food allergens, such as the cereal seed storage prolamins, are rheomorphic proteins with polypeptide chains that adopt an ensemble of secondary structures resembling unfolded or partially folded proteins. Other plant food allergens are characterized by the presence of repetitive structures, the ability to form oligomers, and the tendency to aggregate. A summary of our current knowledge regarding the molecular properties of food allergens is presented. Although we cannot as yet predict the allergenicity of a given food protein, understanding of the molecular properties that might predispose them to becoming allergens is an important first step and will undoubtedly contribute to the integrative allergenic risk assessment process being adopted by regulators.
↩
[8] - Radauer C, Breiteneder H. Evolutionary biology of plant food allergens. J Allergy Clin Immunol 2007;120:518-525
The majority of plant food allergens can be grouped into just 4 protein families. This review summarizes the evolutionary relationships of allergenic and nonallergenic members of these families. Proteins from the prolamin superfamily have been described in vascular plants. This superfamily contains several allergenic (2S albumins, nonspecific lipid transfer proteins, and cereal amylase and protease inhibitors) and nonallergenic (hybrid proline-rich proteins, cereal indolines, and alpha-globulins) member families. The cupin superfamily comprises numerous functionally highly diverse protein families from all groups of organisms. However, allergenicity within the cupins is confined to the vicilin and legumin seed storage proteins. Profilins are ubiquitous eukaryotic proteins that are nonallergenic, with the exception of profilins from flowering plants. Finally, the Bet v 1 superfamily contains the pathogenesis-related proteins 10 family, the family of major latex proteins and ripening-related proteins, the norcoclaurine synthases, and the cytokinin-binding proteins, with pathogenesis-related proteins 10 family members from certain taxa being the only allergenic members. The study of the distribution of allergenic and nonallergenic members of protein families will provide new insights into the evolution of allergenicity and the factors that make proteins allergenic.
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[9] - Helm RM. Allergy to plant seed proteins. J New Seeds 2001;3(3):37-60
Allergenicity is defined as the ability of proteins and other agents to sensitize genetically predisposed individuals to develop IgE antibodies, which bind to mast cells and basophils through the Fc portion of the IgE antibody. Upon subsequent exposures to the same protein, the proteins (allergens) bind to and cross-link cell bound IgE stimulating the release of mediators (histamine) that lead to an allergic reaction (immediate hypersensitivity). Seed proteins represent one important class of proteins that can induce a variety of allergic syndromes. Aerosolized particles released during pollination, harvest, transport and storage of grains and seed crops can cause inhalant allergy in susceptible individuals. Increased use of cereal grains, legumes and nuts in the diet has been suggested to contribute to the rise in the prevalence of food allergies. Plant biotechnology affords unique opportunities to identify individual components of seeds or seed products that may cause allergies and to remove or alter allergens from the food source, so that the food can be consumed safely by allergic individuals. These topics are highlighted to provide insight into the risks and benefits attributed to seed proteins. 100 ref
↩
[10] - Malandain H. Familles moléculaires des principaux aliments végétaux allergisants. Alim'Inter 2003;8:78-84
↩
[11] - Malandain H, Lavaud F. Allergénicité des protéines de défense végétale. Rev Fr Allergol Immunol Clin 2004;44:469-475
La synthèse de protéines de défense fait partie des réponses biochimiques que les plantes ont développées pour lutter contre leurs ennemis naturels et contre les stress environnementaux. De nombreuses protéines de défense végétale sont allergisantes : chitinases, protéines de transfert lipidique LTP, protéines Bet v 1-like. Cet article rappelle les principales familles de protéines de défense végétale, leur impact allergique et l'effet de certains procédés agricoles ou technoalimentaires sur l'allergénicité des aliments végétaux.
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