Effet de la structure sur la digestion des protéines

Effect of stucture on digestion of proteins

• Auteur / Autrice : Maja Napieraj
• Direction : Annie Brûlet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/05/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Monique Axelos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Ramos, Denis Renard, Anja E.M. Janssen, Guillaume Tresset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Ramos, Denis Renard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines -- Conformation

Protéines végétales

Enzymes digestives

Mots clés libres

Digestion

Nourriture

Structure des protéines

Diffusion aux petits angles RX neutrons

Gels de protéines

Rhéologie

Digestion

Food

Protein structure

Small-angle scattering

Protein gels

Rheology

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, c'est-à-dire la pepsine gastrique à l'état acide puis la trypsine intestinale (principalement) à l'état 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 d'un gel de protéines de colza lors d'une digestion gastro-intestinale simulée basée sur le protocole standardisé INFOGEST. Dans un premier temps, nous caractérisons les comportements et les structures des protéines de colza (mélange 53v./47v. cruciférine/napine) dans des solutions à diverses conditions de pH, d'environnement de dénaturation et de température. A l'état natif, la cruciférine (un cylindre creux) étant beaucoup plus grande que la napine (un ellipsoïde compact), l'information structurale sur le mélange (plus sujet à la déstabilisation) provient principalement de la structure de la cruciférine. Nous nous concentrons sur deux gels préparés par chauffage et montrons que 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. Les évolutions des paramètres structuraux permettent de détailler les comportements complexes des protéines lors de la digestion, impliquant des évolutions de va-et-vient avec le dépliement des protéines (1ère et 3ème étapes de la digestion), une re-compaction associée à de l'agrégation (2ème étape) due aux conditions de pH gastro-intestinal et aux actions enzymatiques, avant les scissions finales des protéines (4ème étape) aboutissant aux petits peptides. La principale différence entre les deux gels se produit lors de la digestion gastrique, puisque les protéines dans les gels à pH 8 ont déjà une conformation initiale dépliée, ce qui accélère la dégradation enzymatique du gel. Cette étude, menée en associant rhéologie, diffusion aux petits angles (neutrons et rayons X), imagerie confocale et fluorescence UV, a permis de décrire les processus de digestion des gels de protéines et relier les propriétés macroscopiques aux propriétés microscopiques.

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.