Résumé :
Les protéines sont des macronutriments irremplaçables dans l'alimentation humaine, fournissant les acides aminés essentiels aux fonctions de l'organisme. Les aliments protéiques ingérés dans le système gastro-intestinal subissent diverses modifications physico-chimiques, induites par le pH et les environnements enzymatiques (la pepsine gastrique à pH acide, puis les protéases intestinales à pH neutre). Contrairement aux processus biochimiques de la digestion des protéines, les questions biophysiques, comme les changements des structures moléculaires (dépliement, agrégation, réticulation des protéines…) sont peu connues. Nous abordons la question des changements structurels, lors d'une digestion gastro-intestinale simulée, des protéines de canola (la cruciférine - un grand cylindre creux et la napine - un petit ellipsoïde compact).
Dans un premier temps, nous caractérisons les comportements et les structures des protéines de colza dans des solutions natives, à divers environnements de pH et dans des conditions dénaturantes (chimiques et par la chaleur). l'information structurale sur le mélange de ces protéines provient principalement de la structure de la plus grande cruciférine. Nous nous concentrons sur deux gels préparés par chauffage à différentes conditions de pH. Dans les gels à pH 8, les protéines sont plutôt dépliées, alors que dans les gels à pH 11, elles conservent une conformation assez repliée
Ensuite, nous étudions les comportements de ces deux gels lors de la digestion gastro-intestinale principalement in vitro, par l'utilisation de la rhéologie et du SANS, en observant les différentes tendances des structures protéiques pour les deux gels, en fonction des conditions digestives. Les études complémentaires de SAXS ont permis de détailler et de compléter les tendances déjà observées, avec des comportements complexes des protéines lors de la digestion, impliquant des évolutions de va-et-vient avec le dépliement et le re-compactage des protéines ainsi que l'agrégation, avant les scissions finales des protéines aboutissant à petits peptides. Les différences de comportement des protéines entre les deux gels résultaient des états initiaux des protéines (dépliées ou compactes), qui affectaient les taux de dégradation enzymatique des gels. Ces études ont été complétées par des expériences d'imagerie, permettant d'explorer à l'échelle microscopique, c'est-à-dire la structure des gels et la taille des agrégats de protéines (imagerie confocale et neutronique), et les processus de digestion in situ des gels (fluorescence UV). L'approche méthodologique a permis de lier les changements conformationnels des protéines au cours de la digestion aux propriétés microscopiques et macroscopiques des gels.
Mots-clés : Digestion, Nourriture, Structure des protéines, Diffusion aux petits angles RX neutrons, Gels de protéines, Rhéologie.
Abstract:
Proteins are irreplaceable macronutrients in human diet providing essential amino acids for different functions of the body. Ingested protein food in gastro-intestinal tract undergoes various physicochemical modifications, induced by pH and enzymatic environments, i.e. gastric pepsin at acidic condition then intestinal (mainly) trypsin at neutral condition. Unlike biochemical processes of protein digestion, the biophysical questions, like the conformational changes of molecular structures (protein unfolding, aggregation, crosslinking…) are little known. We address the issue of structural changes of a canola protein gels during a simulated gastrointestinal digestion based on the standardized INFOGEST protocol.
First, we characterize the behaviors and structures of canola proteins (mixture of about 53v./47v. of cruciferin/napin) in solutions in various pH conditions, denaturation environment and temperature. At native state, cruciferin (a hollow cylinder) being much larger than napin (a compact ellipsoid), the structural information on the mixture (more prone to destabilization) mainly arises from the cruciferin's structure. We focus on two heat-set gels and show that in pH 8 gels, proteins are rather unfolded, whereas in pH 11 gels, they retain a quite folded conformation.
We further study the behaviors of these two gels upon mainly in vitro gastrointestinal digestion. The evolutions of structural parameters enable to detail the complex behaviors of the proteins upon digestion, involving back-and-forth evolutions with the proteins unfolding (1st and 3rd steps of digestion) and re-compaction together with aggregation (2nd step) due to gastrointestinal pH conditions and enzymatic actions, before final protein scissions (4th step) resulting in small peptides. The main difference between the two gels occurs during the gastric digestion, since proteins in pH 8 gels have already an initial unfolded conformation, which accelerates enzymatic degradation of gel.
This study, associating rheology, small-angle scattering (neutrons and X-rays), confocal and UV fluorescence imaging experiments, allows to detail the digestion processes of proteins gels and link macroscopic to microscopic properties.
Keywords: Digestion, Food, Protein structure, Small-angle scattering, Protein gels, Rheology.
