Biochimie: Acides Aminés et Structure

Capsule 1 : Introduction à la biochimie et structure des acides aminés

La biochimie est l'étude des bases moléculaires de la vie, une discipline relativement récente qui a permis de comprendre les fondements chimiques de nombreux processus biologiques centraux. Elle a profondément influencé la médecine en élucidant les mécanismes moléculaires de nombreuses maladies et en rendant les dosages enzymatiques indispensables au diagnostic clinique.

I. Introduction à la biochimie

La biochimie est l'étude des bases moléculaires de la vie.

Cette discipline a permis des avancées majeures, notamment la découverte de la double hélice de l'ADN dans les années 50, l'élucidation du transfert de l'information du gène à la protéine (traduction), et le déchiffrage des voies fondamentales du métabolisme.

Il est désormais établi que toutes les expressions de la vie reposent sur des structures moléculaires et des principes communs.

Les protéines jouent un rôle crucial

dans presque tous les processus biologiques :

• Catalyse enzymatique (les enzymes sont des macromolécules).

• Mécanismes de mise en réserve de molécules à travers les membranes.

• Mouvements coordonnés (constituantes essentielles du muscle).

• Supports mécaniques (os).

• Transmission de l'influx nerveux (canaux voltage-dépendants).

• Croissance et différenciation.

Les protéines ont également un rôle structural. Elles sont constituées d'acides aminés (aa), qui agissent comme des « briques » assurant des fonctions diverses.

II. Les acides aminés

A. Généralités

L'hydrolyse des protéines fournit presque exclusivement des alpha acides aminés. Les protéines naturelles peuvent contenir jusqu'à 20 acides aminés différents. En plus d'une fonction acide et d'une fonction amine, certains peuvent posséder des groupements fonctionnels supplémentaires.

B. Nomenclature

La nomenclature officielle fait précéder le nom de l'acide organique du terme alpha amino (ex: acide alpha amino-propionique = alanine). Cependant, l'usage courant conserve la dénomination ancienne. Pour faciliter l'écriture des formules de peptides et de protéines, un système d'abréviation à trois lettres et à une lettre unique est utilisé.

C. Pouvoir rotatoire

Le pouvoir rotatoire est la capacité d'une molécule à dévier le plan d'une lumière polarisée. Cette propriété des acides aminés est liée à la présence d'un carbone asymétrique, à l'exception de la glycine qui n'en possède pas.

• Si la rotation est dans le sens des aiguilles d'une montre, la molécule est dextrogyre (+).

• Si la rotation est dans le sens inverse, la molécule est lévogyre (-).

D. Configuration

Tous les acides aminés constitutifs des protéines, à l'exception de la glycine, possèdent un carbone alpha (carbone 2) asymétrique, ce qui leur confère deux isomères optiques possibles.

• Selon la convention de Fisher, un acide aminé de la série L a sa fonction amine orientée à gauche.

• Un acide aminé de la série D a sa fonction -NH2 placée à droite.

Les aa de la série D ont été isolés chez les bactéries. Par convention, les acides aminés sont tous rattachés à la série L. La série (L ou D) ne désigne en aucun cas le pouvoir rotatoire.

E. Structure et classification

Les acides aminés diffèrent par la nature de leur chaîne latérale, qui varie en dimension, forme, charge, capacité de formation de liaisons hydrogène et réactivité chimique. Les 20 acides aminés standards sont les mêmes pour toutes les espèces depuis 2 milliards d'années.

Acides aminés aliphatiques :

• Glycine (Gly, G) : Le plus simple, constitué d'un atome d'hydrogène (pas de carbone asymétrique). Ajoute de la flexibilité aux chaînes polypeptidiques.

• Alanine (Ala, A) : Abondante, plus rigide que la glycine, avec un groupement stérique limité. Peut se retrouver dans le cœur hydrophobe et à la surface hydrophile des protéines.

• Valine (Val, V), Leucine (Leu, L), Isoleucine (Ile, I) : Acides aminés essentiels pour l'Homme. Forment des résidus hydrophobes importants pour le repliement des protéines, tendant à occuper l'intérieur des structures 3D. Les chaînes latérales aliphatiques plus longues sont hydrophobes et stabilisent la structure tridimensionnelle des protéines hydrosolubles.

• Proline (Pro, P) : Acide aminé aliphatique avec une structure cyclique particulière. Souvent présente dans les coudes, conférant une conformation rigide. Possède une amine secondaire intracyclique et une géométrie différente des autres aa. Fréquente dans les structures secondaires (hélices alpha et feuillets bêta) en position terminale. Présente dans le collagène sous forme d'hydroxyproline (modification post-traductionnelle).

Acides aminés aromatiques :

• Tryptophane (Trp, W) : Possède un noyau indole uni à un groupement méthylène. Essentiel, volumineux et hydrophobe, retrouvé à l'intérieur des protéines.

• Phénylalanine (Phe, F) : Comprend un noyau phényle associé à un groupement méthylène (-CH2-). Apportée par l'alimentation, plutôt présente à l'intérieur des protéines.

• Tyrosine (Tyr, Y) : Possède un noyau aromatique associé à un groupement hydroxyle, la rendant moins hydrophobe que la Phénylalanine. Volumineux, précurseur de la mélanine et des hormones thyroïdiennes. Sa fluorescence peut être interrompue par transfert d'énergie au tryptophane.

Les noyaux aromatiques de ces acides aminés contiennent des nuages électroniques de type délocalisés, capables d'interagir avec d'autres systèmes et d'assurer le transfert d'électrons. Ils sont fluorescents à une bonne longueur d'onde. La Phénylalanine peut être convertie en Tyrosine par hydroxylation.

Acides aminés soufrés :

• Cystéine (Cys, C) : Contient un groupement sulfhydrile (-SH), très réactif. Deux cystéines peuvent former un pont disulfure (cystine), stabilisant la structure tertiaire des protéines (ex: enzymes digestives comme la chymotrypsine et la trypsine, protéines structurelles comme les kératines, insuline, ribonucléase).

• Méthionine (Met, M) : Comporte un atome de soufre engagé dans une liaison thioéther (-S-CH3). Essentiel pour l'Homme, c'est toujours le premier acide aminé incorporé dans les protéines (parfois retiré lors de modifications post-traductionnelles).

Ces chaînes latérales sont toutes deux hydrophobes.

Acides aminés hydroxylés :

• Sérine (Ser, S) : Forme hydroxylée de l'alanine.

• Thréonine (Thr, T) : Forme hydroxylée de la valine. Possède deux carbones asymétriques.

Le groupement hydroxyle (-OH) rend ces aa plus hydrophiles et réactifs. Leurs fonctions -OH, dont l'hydrogène est labile, en font souvent des donneurs d'hydrogène dans les enzymes. Très hydrophiles, ils se retrouvent préférentiellement à la surface des protéines solubles.

Acides aminés basiques :

• Lysine (Lys, K), Arginine (Arg, R) : Possèdent les plus longues chaînes latérales. À pH neutre, ces chaînes sont chargées positivement (+), permettant la liaison de protéines riches en aa basiques à des acides nucléiques (ADN, ARN), comme c'est le cas des histones. Se retrouvent à la surface des protéines, ou en profondeur, interagissant par liaison saline avec des résidus chargés négativement (Asp, Glu). Essentiels pour l'Homme.

• Histidine (His, H) : Le professeur Dos Santos ne rentre pas en détails pour l'histidine.

Acides aminés acides ou dicarboxyliques :

• Aspartate (Asp, D), Glutamate (Glu, E) : Chargés négativement à pH physiologique (pH=7,1). Portent un groupement -COOH hydrophile et acide, chargé négativement. Généralement situés à la surface des protéines, contribuant à leur solubilité. À l'intérieur des protéines, l'aspartate forme des liaisons salines avec un aa basique. Agissent comme accepteurs de liaison hydrogène. Le glutamate libre et la glutamine jouent un rôle massif, le glutamate étant le neurotransmetteur excitateur le plus important du SNC.

Acides aminés à chaînes latérales porteuses de fonction amide :

• Asparagine (Asn, N), Glutamine (Gln, Q) : Dérivés des acides aminés acides, mais non chargés.

Classification en fonction de la polarité et de la charge des chaînes latérales à pH neutre (pH=7) :

• Chargées positivement (aa basiques) : Lys, Arg, His (la chaîne latérale de l'His a un pKa=6,0).

• Chargées négativement (aa acides) : Asp, Glu.

• Non chargées mais polaires : Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr.

• Non chargées mais apolaires (hydrophobes) : Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro.

F. Propriétés physico-chimiques des acides aminés

Caractère ampholyte :

Les acides aminés possèdent deux groupements ionisables à pH convenable : une fonction acide -COOH et une fonction basique -NH2. Ils peuvent prendre une forme dipolaire (ion mixte), agissant comme des acides et des bases. Ce sont des molécules amphotères.

La forme dipolaire peut :

• En milieu acide, accepter un proton (H+) sur le groupement (COO-).

• En milieu alcalin, perdre un proton (H+) du groupement (NH3+).

Le point isoélectrique (pHi) est le pH où une molécule possède une charge globale nulle (autant de charges positives que négatives). La molécule est alors appelée zwitterion. Tous les acides aminés possèdent un pHi.

Rappel :

• Lorsque , la forme protonée est majoritaire.

• Lorsque , les acides et les bases sont en concentrations égales.

• Lorsque , la forme déprotonée l'emporte.

Le pK des groupements des acides aminés peut être déterminé par courbe de titration. Pour la glycine, les pK sont de 2,3 (carboxyle) et 9,7 (amine). L'effet tampon est maximal lorsque le pH de la solution est proche du pKa ou du pKb. Le pHi correspond au point d'inflexion de la courbe.

G. Propriétés chimiques des acides aminés

Propriétés de la fonction carboxylique :

• Estérification par un alcool : Réaction classique en présence d'un acide fort, utilisée pour séparer les acides aminés en phase gazeuse ou liquide en produisant des dérivés esters butyliques.

  

• Formation d'amide : Le carboxyle peut interagir avec une amine pour former un groupement amide, avec perte d'une molécule d'eau (H2O). Peu d'aa sont impliqués (ex: asparagine, glutamine).

  

  Il peut aussi y avoir création de la liaison peptidique : résultat de la condensation de la fonction COOH du premier acide aminé et de la fonction NH2 du deuxième acide aminé, avec production d'eau. Après la formation de la liaison peptidique, une extrémité est porteuse d'un groupe amine libre (extrémité N-terminale) et l'autre d'un groupe carboxyle (extrémité C-terminale).

  

• Réaction de décarboxylation : Permet la synthèse d'amine chimique ou enzymatique (décarboxylase spécifique de chaque aa), avec production de CO2.

  

  Exemples :

  • Synthèse d'histamine : l'histidine décarboxylée donne de l'histamine (vasodilatateur dans les réactions allergiques inflammatoires).

    

  • Production de GABA : synthétisé par décarboxylation de l'acide glutamique (neurotransmetteur abondant du SNC).

Propriétés liées à la fonction NH2 :

• Formation d'imine « base de Schiff » : Résulte de la réaction du NH2 avec une fonction aldéhyde, accompagnée d'une déshydratation. Aboutit à une structure avec une double liaison C=N (amine secondaire). Utilisée pour la détection par fluorescence des acides aminés.

  

• N-acylation : Réaction avec des anhydrides d'acides ou des chlorures d'acides, formant des composés N-acylés.

  

• Action du 1-fluoro 2,4-dinitrobenzène : Réagit avec les fonctions amines pour former un dérivé N-2,4-dinitrophénylé, coloré en jaune. Facilement identifiable par chromatographie et dosable par spectrophotométrie à 360 nm. Cette réaction a permis à Frederik Sanger (1953) d'établir la première structure d'une protéine (l'insuline).

  

• Carbamylation (méthode d'Edman) : Réalisée à pH basique (pH=9) avec le phénylisothiocyanate (PTC). Donne un dérivé phénylthiohydantoïneaminoacide (PTH-aminoacide) qui absorbe dans l'UV et est séparable par chromatographie.

  

  La réaction avec l'aa N-terminal d'une protéine libère un PTH-aminoacide et une protéine amputée de son aa N-terminal. En répétant le processus, on peut déterminer la structure primaire de la protéine (dégradation récurrente d'Edman).

• Dansylation : Modification du -NH2 par le chlorure de dansyle, donnant un DNS aminoacide stable et fluorescent.

• Désamination : Perte du groupement NH2 sous forme de NH3 (ammoniac libre). Peut être oxydative ou non. A lieu principalement dans le foie et les reins. Fournit le précurseur de la synthèse de l'urée et des acides alpha-cétoniques pour des réactions productrices d'énergie.

  

  Trois enzymes réalisent la désamination au niveau du foie et des reins :

  1. L-amino acid oxidases.

  2. D-amino acid oxidases.

  3. Glutamate déshydrogénase (décarboxylation oxydative).

• Réaction avec la ninhydrine : La ninhydrine est un composé aromatique utilisé comme révélateur des acides aminés. Réagit avec les acides aminés pour former un produit final de coloration violette (pourpre de Ruhemann, 570 nm).

  

  Tous les acides aminés donnent cette coloration, sauf la proline et l'OH-proline qui sont colorées en jaune (440 nm). Cette méthode est lente mais peut être utilisée en CCM pour l'analyse protéique.

  

Propriétés de la chaîne latérale :

• Groupement thiols (Cystéine) : Deux cystéines peuvent former une cystine par oxydation, créant un pont disulfure (S-S) qui contribue au maintien de la structure tridimensionnelle des protéines.

  

  Les ponts disulfures peuvent être réduits par le 2-mercaptoéthanol et le dithiothréitol, qui rétablissent les groupements thiols. L'iodoacétamide (agent alkylant) empêche l'oxydation de la cystéine en bloquant les fonctions thiols.

  

• Fonction alcool (Sérine, Thréonine), fonction phénol (Tyrosine) :

  La phosphorylation (réaction d'estérification) de la sérine/thréonine/tyrosine chez les eucaryotes par l'acide phosphorique forme un ester phosphate. C'est une modification post-traductionnelle capitale des protéines, intervenant dans de nombreux processus cellulaires (différenciation, division, apoptose) et mécanismes de signalisation. Elle induit des modifications structurelles et fonctionnelles des protéines (augmentation ou inhibition de l'activité enzymatique). Ex: l'activité de nombreux facteurs de croissance est contrôlée par la phosphorylation de ces acides aminés.

  

  Chez les Eucaryotes, le taux de phosphorylation de S, T ou Y est respectivement de 1000 / 100 / 1. Cette phosphorylation (par protéine kinase) est réversible par déphosphorylation (protéine phosphatase).

• Fonction alcool (Sérine, Thréonine) :

  La O-glycosylation permet l'addition de glucides au niveau de l'O de la chaîne latérale de S, T de polypeptides présents dans la lumière de l'appareil de Golgi. Catalysée par une glycosyl-transférase, elle débute généralement par une N-acétyl galactosamine.

  

• Fonction amide (Asparagine) :

  La N-glycosylation est une addition de glucides aux chaînes peptidiques dès leur entrée dans la lumière du Réticulum Endoplasmique. Ce processus co-traductionnel implique le transport en bloc d'un oligosaccharide (N-acétylglucosamine, mannose, glucose) qui se lie à une asparagine (Asn) appartenant à une séquence consensus Asn-X-Ser/Thr (X étant n'importe quel acide aminé sauf la proline). La réaction est catalysée par une oligosaccharyl-transférase membranaire.