Les coronavirus sont des virus fréquents , de la famille des coronaviridés, qui sont responsables d’infections digestives et respiratoires chez l’homme et l’animal. Ils existent depuis des millions d’années.Les coronavirus peuvent se montrer pathogènes chez les mammifères et les oiseaux. Ils comprennent un grand nombre de virus différents à l’origine de différentes maladies plus ou moins graves comme : certains rhumes, SRAS, MERS-Cov…
Les coronavirus sont des virus sphériques, enveloppés, de 60 à 220 nm de diamètre. Le Covid-19 a un diamètre de l’ordre de 80 à 150 nm de diamètre.
Le génome du Covid-19
Un coronavirus Covid 19 comporte un génome ARN, monocaténaire, de polarité positive, qui peut donc être directement traduit en protéines. Il compte 27 à 32 000 bases. Cet ARN se réplique dans le cytoplasme de la cellule infectée.
Le peplos
D’un mot grec signifiant manteau, c’est l’élément le plus externe de certains virus. La présence ou l’absence d’enveloppe règle en grande partie le mode de transmission des maladies. Le péplos du Covid-19 est une membrane, dérivée des membranes cellulaires, Il termine sa multiplication dans la cellule par bourgeonnement. Ce bourgeon intègre des glycoprotéines d’origine virales.
La capside et le génome d’un virus enveloppé s’assemblent en une nucléocapside
sous la membrane cytoplasmique de la cellule. Le virus va sortir de la cellule,
non pas en faisant éclater cette cellule mais en formant un bourgeon au
détriment de la membrane cytoplasmique. Le bourgeon va s’isoler pour former un
virus entier, capable d’infecter une nouvelle cellule ou un nouveau sujet.
L’enveloppe de ce virus est donc la membrane cytoplasmique de la cellule
infectée, mais modifiée par l’adjonction de glycoprotéines virales. Les
lipides de l’enveloppe sont, eux, d’origine cellulaire.
Le fait d’avoir un péplos rend le virus fragile, contrairement à des virus nus.
Le péplos a la fragilité des membranes cellulaires dont il dérive. C’est une
membrane aussi fragile que n’importe quelle membrane biologique. Un virus, quel
qu’il soit, pour être infectant doit être entier.
Dans le milieu extérieur, les virus à péplos ne vont pas survivre longtemps car
ils vont être inactivés par deux facteurs : la température, même la température
ordinaire, et la dessication. Les membranes cellulaires sont détruites dans le
milieu extérieur et si les cellules bactériennes survivent très bien, c’est
parce qu’elles protègent leur membrane cytoplasmique par une paroi. Si une
cellule bactérienne se trouve sans paroi, la bactérie fragilisée meurt. Les
virus à péplos sont aussi fragiles que des bactéries dont on aurait supprimé la
paroi.
Dans le tube digestif, le péplos est rapidement digéré par les enzymes
digestives et le Ph acide de l’estomac. Donc, les virus à péplos ne résistent
pas dans les selles, mais ce n’est pas le cas apparemment du Covid-19.
Le péplos n’est pas une armure, mais au contraire un point faible du virus.
La capside
Le génome est emballé dans une structure protéique appelée capside, d’un mot grec, capsa, signifiant boîte. La capside protège le génome. Le nucléocapside est la structure compacte formée par l’assemblage de la capside autour du génome.
Les capsides sont faites de protéines virales polymérisées et ces structures ont été sélectionnées en raison de leur grande stabilité.
Les protéines du virus
Les coronavirus codent 4 à 10 protéines parmi lesquelles les protéines : M, N, S, E :
- La protéine N (comme nucléocapside) est une nucléoprotéine qui va se lier à l’ARN pour former la nucléocapside du virus, la première coque qui entoure l’ARN du virus.
- La protéine S (comme spicule) est une protéine d’enveloppe. C’est une glycoprotéine de grande taille, entre 1100 et 1450 acides aminées. Elle forme des extensions, les spicules couronnant la surface du virus. Cette protéine permet l’attachement du virus à un récepteur de la cellule hôte, et elle va permettre de s’enfoncer dans la membrane de la cellule. Pour infecter des cellules, le virus utilise des récepteurs cellulaires, des aminopeptidases N, sur lesquels les spicules du virus viennent se positionner.
- La protéine M va constituer principalement la capside. Elle va également s’insérer dans l’enveloppe avec la protéine S, et dans la nucléocapside avec la protéine N.
Il existe aujourd’hui une grande variété de coronavirus connus. Leur tropisme est variable : respiratoire, entérique, neurologique, hépatique.
Le Covid-19 ne semble pas pour le moment subir une grande variabilité génétique.
La multiplication d’un virus comporte sept étapes
La simplicité extrême des virus les empêche de se multiplier par eux-mêmes.
Le virus dispose d’une information génétique par son ARN, mais il lui manque toutes les petites molécules d’acides aminés, d’acides gras, de sels minéraux, de molécules organiques simples : il n’a pas de réserves et plus encore il n’a pas de sources d’énergie. Il est incapable d’aller puiser à l’extérieur des éléments pour se construire. Les vacuoles lui font défaut et enfin, autre élément déterminant pour assembler les petites molécules en macromolécules, il faut des accélérateurs biologiques, les enzymes, qu’il n’a pas.
Donc pour se multiplier, le virus n’a que sa « recette », son génome. Ce n’est qu’en parasitant une cellule qu’il peut trouver ce qui lui fait défaut pour se répliquer.
Attachement
Elle commence par l’entrée en contact du virus et de la cellule. C’est l’attachement de la surface virale sur la surface cellulaire. Il se fait donc par des protéines de la capside pour les virus nus, par des glycoprotéines du péplos pour les virus à péplos. Ces protéines ou glycoprotéines s’attachent à des récepteurs situés sur la membrane cytoplasmique de la cellule hôte. Ce besoin de récepteurs cellulaires de la membrane cytoplasmique pour les virus explique qu’un virus donné ne peut infecter qu’un nombre restreint d’espèces animales (tropisme d’hôte) avec des tropismes tissulaires et cellulaires précis.
Pénétration
Le virus pénètre à l’intérieur de la cellule par fusion de l’enveloppe virale et de la membrane cytoplasmique en une membrane unique, fusion suivie de lyse, par formation d’un pore (trou) qui s’élargit et laisse passer la capside dans le cytoplasme. Cette fusion-lyse résulte de l’action d’une glycoprotéine de l’enveloppe virale
Le virus se réplique dans le cytoplasme de la cellule infectée. Le génome viral pénètre dans le cytoplasme et en pénétrant, il va utiliser la membrane de la cellule pour s’entourer d’une enveloppe.
Décapsidation
Les structures virales sont ensuite dégradées, à l’exception du génome qui, une fois débarrassé de la capside, se trouve libéré. Il est nécessaire que la capside soit détruite pour que le génome puisse fonctionner, donner son information génétique à la machinerie cellulaire. Ainsi, paradoxalement, la multiplication virale commence par une destruction du virus,mais une destruction qui respecte le génome.
Réplication
Après ces étapes de démarrage de l’infection, prend place la phase de réplication et d’expression du génome viral. Le génome du virus libéré prend la direction des synthèses, dans la cellule. Il se substitue en totalité ou en partie au génome cellulaire qui, jusque alors, organisait les synthèses cellulaires. Le génome cellulaire faisait en sorte que la cellule produise des sécrétions, exocrines ou endocrines, et éventuellement des éléments pour faire une deuxième cellule. Désormais, la cellule va produire des virus. Plus précisément, elle va faire des répliques du génome viral, des répliques de protéines virales, protéines de capside et glycoprotéines de peplos.
La réplicase est la première protéine fabriquée ; une fois le gène codant la réplicase traduit par le ribosome de la cellule hôte, la traduction est arrêtée. Cette réplicase virale ne reconnaît et ne produit que l’ARN viral, et permet au génome viral d’être transcrit en nouvelles copies d’ARN, à l’aide de la machinerie de la cellule hôte. Se servant du brin positif comme modèle, cet enzyme assemble le brin négatif. La réplicase est une enzyme qui permet la réplication de l’ARN, elle est donc essentielle dans l’architecture du virus.
Par polymérase, un brin d’ARN de polarité négative va donc être synthétisé.
Cet ARN va servir de matrice aux ARN messagers qui vont coder pour les différentes protéines de capside et d’ARN génomique.
Lecture
Dès que des ARN messagers viraux apparaissent dans la cellule, celle-ci commence à « travailler » pour le virus : elle lit sur les ribosomes ces messagers viraux comme s’il s’agissait des messagers cellulaires et elle les traduit en protéines virales.
Assemblage
Les nouveaux génomes fabriqués par la cellule s’entourent de nouvelles protéines virales fabriquées par la cellule. C’est l’encapsidation des génomes qui aboutit à la formation de nouveaux virus.
Les particules virales sont ensuite transportées et relarguées après un passage par l’appareil de Golgi.
Relargage
Ces nouveaux virus sont relargués hors de la cellule par bourgeonnement pour les virus à péplos. C’est lors du bourgeonnement que les virus à enveloppe reçoivent leur enveloppe qui est une bicouche lipidique cellulaire hérissée de glycoprotéines.
Une cellule produit de l’ordre de 100 à 1000 virus.
Biochimie des protéines et dénaturation des spicules
Le traitement du coronavirus qui nous semble le plus prometteur par la chaleur devrait affecter les protéines du virus. Il convient donc de détailler les principaux constituants du coronavirus Covid-19 et de préciser la cible de l’ hyper-thermothérapie basse effusivité envisagée.
La Structure des protéines
Les constituants des protéines sont des molécules appelées acides aminés. Il en existe 20 importants, tous dotés de deux groupements fonctionnels :
Un groupe aminé : -NH2
Un groupe acide organique -COOH
Un acide aminé peut se comporter comme base (accepteur de proton) ou comme acide (donneur de proton).
Les protéines sont de longues chaînes d’acides aminés réunis par des liaisons formées au cours de réactions de synthèse, des liaisons peptidiques.
La synthèse d’une liaison peptidique s’accompagne de la perte d’une molécule d’eau.
Les liaisons peptidiques se rompent lorsque l’eau s’y ajoute : c’est l’hydrolyse des polypeptides.
Les protéines se structurent à quatre niveaux.
Ici intervient un élément clé pour la compréhension de hyper thermie : celui de la structuration des protéines et en particulier de la protéine S du Covid-19.
Chaîne polypeptidique
Tout d’abord une séquence linéaire d’acides aminés forme une chaîne polypeptidique. Cette structure ressemble à un chapelet de « perles », de “grains” d’acides aminés. C’est le squelette de la molécule de protéine. Ce squelette se tord et se replie sur lui-même pour donner des niveaux d’organisation moléculaires plus complexes :
Structure secondaire
Les « perles » d’acides aminés n’existent pas de façon linéaire, elles se replient. Une forme courante est l’hélice alpha. La chaine primaire s’enroule sur elle-même puis se stabilise avec des liaisons hydrogène entre les groupes NH et CO tous les 4 acides aminés environ.
Structure tertiaire
A partir de la structure secondaire, les régions plissées ou hélicoïdales se replient les unes sur les autres et forment une molécule en forme de boule, une molécule globulaire.
Structure quaternaire
La structure quaternaire correspond à l’association de plusieurs chaines peptidiques. C’est le cas par exemple de l’hémoglobine où 2 chaînes alpha sont associées à 2 chaînes béta.
De nombreuses vidéo pédagogiques expliquent bien cette structuration : structuration des protéines.
Après leur synthèse, les protéines vont donc se replier en une conformation tri-dimensionnelle particulière qui leur est le plus thermodynamiquement favorable : c’est leur état natif. Ce processus de repliement est entraîné par l’effet hydrophobe. Les parties hydrophobes de la protéine ont tendance à essayer de se protéger de l’environnement hydrophile de la cellule en s’orientant vers l’intérieur de la protéine. L’extérieur de la protéine, en opposition, est donc hydrophile.
Les structures protéiques sont stabilisées par des liaisons non covalentes (liaisons ioniques et interactions de Van der Waals) et des ponts disulfure liant deux résidus cystéine. Ces liaisons jouent un rôle en formant une hélice alpha ou un feuillet béta dans la structure secondaire et dans la structure tertiaire. Les interactions entre les résidus d’acides aminés dans une protéine, plus faibles que les liaisons covalentes, sont importantes pour définir la structure finale de cette protéine.
Protéines fibreuses et globulaires
De façon générale, on classe les protéines en deux catégories suivant leur forme générale : les protéines fibreuses et les protéines globulaires.
Les protéines fibreuses sont des protéines structurales, elles constituent le principal matériau de construction chez les vertébrés. Elles sont linéaires, insolubles dans l’eau et d’une grande stabilité : collagène, kératine, fibrinogène, protéines musculaires.
Les protéines globulaires sont sphériques et hautement solubles. Elles jouent un rôle important dans le métabolisme :
- Les enzymes sont essentielles aux réactions biochimiques de l’organisme, elles multiplient par au moins un million la vitesse des réactions chimiques,
- Le transport : l’hémoglobine transporte l’oxygène dans le sang, les lipoprotéines transportent les lipides et le cholestérol.
- Les anticorps reconnaissent et inactivent les bactéries, toxines et certains virus. Ils participent à la réponse immunitaire. Les protéines de complément, en circulation dans le sang, améliorent l’activité du système immunitaire, stimulent la réaction inflammatoire.
Les protéines globulaires sont moins stables que les protéines fibreuses. Elles possèdent davantage de liaisons hydrogène et se défont plus facilement : les liaisons hydrogènes ne sont pas très solides.
Leur fragilité les rend vulnérables à la chaleur.
Avec la chaleur, elles peuvent se dénaturer, et avec des températures élevées, se rompre.
La dénaturation des spicules
La dénaturation d’une protéine se déroule en deux étapes : quand elle se déplie, elle perd sa forme spécifique on dit qu’elle est déployée.
Elle passe de l’état déployé à l’état dénaturé avec de nouvelles liaisons secondaires non spécifiques. La dénaturation devient alors irréversible.
La dénaturation va provoquer la perte de propriétés biologiques des différentes protéines : enzymatiques, hormonales, de transport, immunologiques…
La diminution de la solubilité va résulter de modification dans la distribution des groupements polaires et apolaires. Elle va s’accompagner d’un accroissement de la sensibilité aux attaques enzymatiques : c’est la cuisson.
La dénaturation vient de différents procédés : par les ultraviolets, les ultrasons, et dans le cas qui concerne l’étude, par la chaleur d’advection.
L’élévation de température va accroître l’énergie des molécules, augmenter leur agitation et conduire à des mouvement intramoléculaires – vibrations, rotations – à l’origine de la rupture d’interaction faibles qui à température ambiante stabilisent la conformation de la protéine.
De nombreuses liaisons faibles se rompent à l’approche des 60°C. Les protéines se déroulent et deviennent de longues chaines d’acides aminés. Elles se déploient puis se dénaturent.
A l’état dénaturé, certaines parties de protéines deviennent accessibles et rencontrent d’autres molécules protéiques pour former de nouvelles associations par des ponts disulfures. Ces ponts disulfures sont à l’origine de la coagulation.
Il n’est pas utile d’imaginer réchauffer les poumons à 56°C pendant 30 minutes pour aboutir à la destruction des virus. Le temps requis est celui du déploiement des protéines virales jusqu’à leur dénaturation. Le virus n’a pas les moyens de les réparer, ni de les remplacer dans les poumons en dehors des cellules qu’il envahit. Il est donc condamné à être expulsé, ne pouvant plus utiliser en particulier ses spicules pour entrer dans les cellules.
De son côté, la cellule chauffée peut, en refroidissant, se réparer.
Atteinte des tissus
En agissant sur les protéines, contrairement aux exemples évoqués précédemment, l’action de réchauffement des tissus est globale. Elle va concerner un ensemble de couches de tissus et de structures
- Tissu musculaire,
- Tissu osseux,
- Glande mammaire,
- Interstitium,
- Parenchyme,
- Vaisseaux sanguins.
Aucun travail de recherche à notre connaissance n’a porté sur des températures élevées dans le corps, si ce n’est de façon parcellaire dans le cadre d’études spécifiques :
- On sait par exemple que, sur les forages osseux à visée implantaire, des études ont montré qu’au-delà de 47°C pendant une minute, le stress provoqué par l’élévation de température ne permet plus aux cellules de se protéger.
- Les tissus musculaires commencent à expulser de l’eau dès que la température atteint les 55°C – 60°C. Des enzymes s’attaquent aux fibres à ces températures.
- Dans l’interstitium des alvéoles pulmonaires, se retrouvent des fibres de collagène, en majorité de type I dont le rôle est de conserver la forme des alvéoles et leur élasticité. Le collagène réagit à la température. Ce tissu de l’interstitium est très mince pour permettre à l’oxygène et au dioxyde de carbone de passer à travers la surface des alvéoles et des capillaires qui transportent le sang.
Dénaturation de l’ARN et des protéines virales par la chaleur
Les échanges thermiques
Il existe un décalage entre les températures supposées maximales chez un être humain et les températures de dénaturation des molécules des génomes comme des protéines.
La fièvre maximale est évaluée à 42,7°C. Une fièvre est perçue comme mortelle à partir de 41, 6°C.
Ces températures sont encore très éloignées de celles de la dénaturation du matériel génétique qui démarre autour de 55°C. A partir de cette température, les paires de base s’ouvrent et l’hélice commence à se dérouler. La dénaturation s’effectue en moyenne autour de 75°C, après une accélération vers 65°C.
Les températures de fièvres maximales sont cependant proches des températures souvent perçues comme maximales avec l’eau chaude, référence usuelle.
Cette proximité – fièvre maximale, température d’eau supportable maximale – est donc perçue comme une barrière naturelle infranchissable.
Or l’expérience de la mise en contact avec un matériau basse effusivité démontre le contraire. Les températures peuvent être, à travers l’expérimentation sur le Thorix® atteindre des seuils réels au-delà de 55 C° avec une température ressentie qui ne dépassera pas les 42°C.
Cette expérimentation ouvre un large champ d’action thérapeutique et soulève d’innombrables interrogations. Il faudra sans doute une vingtaine d’années avant d’avoir exploré les contours de cette voie prometteuse.
Une première hypothèse mérite d’être vérifiée avec le coronavirus Covid-19 qui est détruit à 56°C au bout de 30 minutes. C’est précisément un seuil sur lequel une masse chauffante de basse effusivité mise au point peut s’avérer efficace (brevet INPI du 9 février 2020 N° FR2001260).
Dénaturation des protéines du Covid 19
Les acides aminés qui sont les éléments de base des protéines sont reliés entre eux par un seul type de liaison : la liaison peptidique. C’est une liaison covalente qui se forme entre le COOH d’un acide aminé et le NH2 d’une autre molécule d’acide aminé. Cette liaison covalente est très solide. C’est une liaison intramoléculaire.
Lors de la formation des structures secondaires des protéines, un agencement se met en place avec cette fois des liaisons intermoléculaires, vingt fois plus faibles que les liaisons covalentes. Ces liaisons sont plus faibles à la chaleur.
Lorsque la température est élevée, l’énergie cinétique des molécules augmente, perturbant ainsi l’enveloppe aqueuse des protéines et les dénaturant.
La structure primaire, la séquence d’acides aminés liés par des liaisons peptidiques, n’est pas interrompue par la dénaturation. La dénaturation d’une protéine correspond à la désorganisation de la structure spatiale : seules les liaisons secondaires, tertiaires et quaternaires sont concernées. La chaîne polypeptidique est alors partiellement ou totalement dépliée.
Les liaisons hydrogène servent à stabiliser les protéines dans une forme tridimensionnelle où elle peut remplir ses fonctions. À haute température, les liaisons hydrogène sont brisées et ne peuvent plus assurer le maintien de la forme de la protéine, qui n’est alors plus fonctionnelle.
La dénaturation de la structure tertiaire implique l’interruption de :
- liaisons covalentes entre les chaînes latérales d’acides aminés (telles que les pont disulfure entre les cystéines).
- Liaisons dipolaires-dipolaires non covalentes entre les chaînes latérales polaires des acides aminés.
- Liaisons dipolaires induites par les forces de Van Der Waals entre chaînes latérales non polaires d’acides aminés.
La forme finale de la protéine détermine la manière dont elle interagit avec son environnement. Si la forme de la protéine est modifiée par application de chaleur, elle n’est pas en mesure de remplir sa fonction cellulaire.
Dans de nombreuses protéines, la dénaturation n’est pas réversible. Cela dépend du degré de modification des structures de la protéine.
Régulation par les Heat Shocks Proteins HSP
Il existe dans la cellule des protéines appelées chaperonnes dont le rôle est d’assurer la bonne maturation et le bon fonctionnement des autres protéines cytoplasmiques en maintenant leur conformation tridimensionnelle intacte en réaction à diverses agressions.
Celles chargées de lutter contre les déformations entraînées par une élévation de température sont les Heat Shock Proteins (protéines de choc thermique, ou HSP). Elles se fixent sur des protéines ayant subi un repli tridimensionnel et dont la fonction biologique est dénaturée. Les HSP possèdent une structure contenant plus d’acides aminés capables d’établir de fortes relations entre eux que les autres protéines, ce qui leur confère une résistance accrue à la flexion due à la chaleur. En cas de déformation d’une protéine suite à une élévation de température, la HSP vient s’associer à celle-ci et l’encapsule. Elle lui sert alors de bouclier pour lui permettre d’éviter la déformation. La protéine peut alors continuer à accomplir son rôle biologique. Plus tard les deux protéines se séparent et continuent leur vie dans la cellule. Dans certains cas, si la protéine dénaturée ne peut plus être conformée, la protéine HSP aura la possibilité de transporter l’agrégat de protéine non conforme vers un lieu de destruction.
Ces protéines HSP ne se trouvent sur les virus.
Action sur l’ADN des cellules
Les hélices de l’ADN sont également maintenues par des liaisons hydrogène.
La dénaturation d’acides nucléiques tels que l’ADN par des températures élevées produit une séparation de la double hélice, ce qui se produit lorsque les liaisons ou les liaisons hydrogène sont rompues. Cela peut se produire pendant la réaction en chaîne de la polymérase ; les brins d’acide nucléique se rejoignent (renaturation) une fois que les conditions “normales” sont restaurées.
Lorsque la dénaturation est effectuée par chauffage, la température à laquelle la moitié des molécules d’ADN est dénaturée est appelée température de fusion moléculaire. La dénaturation a lieu lorsque les chocs dus à la température parviennent à rompre les liaison hydrogènes liant les deux brins.
Lorsque la température redescend, les chaînes complémentaires se réassocient deux par deux avec réapparition des liaisons H. La composition nucléotidique de la chaine a un effet sur la température de fusion : des chaînes contenant beaucoup de bases C et G (impliquant 3 liaisons H entre les nucléotides en vis-à-vis sur les deux brins) sont plus stables et donc difficile à dénaturer que des chaines contenant plus de bases A et T (2 liaisons).
La renaturation est l’opération inverse de réassociation des deux brins de l’ADN qui se recombinent en une seule molécule bicaténaire.
La dénaturation s’étudie de façon commune dans des thermocycleurs.
L’ARN peut également adopter une structure complexe comprenant des appariements de base et lui permettant d’accomplir des fonctions variées (catalyse, reconnaissance moléculaire…). Cette structure peut être rompue par les mêmes procédés physiques que pour l’ADN.
Au final, la cellule est mieux armée que le virus pour répondre à une augmentation de température à des niveaux limites de 56 à 59°C. Elle dispose d’un appareillage de réparation, de renaturation, de réplication, de protection (protéines HSP), d’élimination dont ne dispose pas le virus, lequel au moment de la dénaturation ne peut plus revenir à un niveau efficient de pénétration dans la cellule.