Acides Aminés Simplifiés biologi e1

//Points clés

• Connaître la structure et les propriétés des acides aminés.

• Connaître les 9 acides aminés essentiels.

I. Introduction

A. La cellule, lieu d'intégration spatiale, structurale et métabolique

La cellule est un système extrêmement compacté contenant de nombreuses structures biochimiquement différentes. Le cytoplasme est un endroit riche en molécules diverses (glucides, lipides, protéines) qui interagissent. Les membranes sont composées de lipopolysaccharides, lipoprotéines et peptidoglycanes, formant des structures complexes avec une multitude de biomolécules et d'activités biologiques. Au niveau métabolique, des interrelations métaboliques permettent la formation de divers composés (acides aminés, acides gras, précurseurs d'acides nucléiques) à partir de substances comme le glucose, et le cycle de Krebs génère également de nombreux précurseurs. Tous ces métabolismes sont reliés les uns aux autres.

B. Les protéines

Les protéines sont composées d'acides aminés. Leur nature et leur ordre (la séquence peptidique) confèrent des propriétés spécifiques aux molécules. Les 21 acides aminés protéinogènes ont des propriétés et des affinités préférentielles différentes qui favorisent le repliement de la chaîne protéique dans l'espace, créant des côtés hétérogènes. Chaque protéine possède une identité propre lui permettant d'interagir spécifiquement avec des récepteurs. L'insuline est un exemple d'hormone composée de deux chaînes (A et B) reliées par des liaisons covalentes, dotée d'une activité biologique essentielle pour réguler le taux de sucre et dont le déficit cause le diabète.

Les protéines sont les macromolécules les plus polyvalentes de la cellule, avec des rôles variés :

• Liaison : régulation de l'expression de gènes (facteurs transcriptionnels).

• Métabolisme : comme l'insuline ou l'hormone de croissance.

• Structure : l'actine composant les fibres musculaires.

• Catalyseur biologique : les enzymes.

• Transport : l'albumine transportant des hormones.

• Commutateurs de signalisation : la protéine RAS, pouvant changer de forme (active/inactive) pour la transmission du signal.

II. Généralités

A. Structure générale des acides aminés

Les acides aminés sont des molécules de carbone à structure tétraédrique. Ils sont composés d'un groupe carboxyle (COOH), d'une fonction amine (NH2), d'un atome d'hydrogène et d'un groupe R (chaîne latérale), tous liés au carbone α. Ce carbone peut former 4 liaisons covalentes diverses.

En solution aqueuse et à pH physiologique (7,4) :

• La fonction acide (carboxyle) cède des protons, devenant COO- (chargée négativement).

• La fonction amine (basique) capte des protons, devenant NH3+ (chargée positivement).

Les propriétés d'un acide aminé isolé dépendent de ces deux fonctions et de la chaîne latérale. Quand l'acide aminé est inclus dans une protéine, ses propriétés dépendent uniquement de la chaîne latérale.

B. Classification

Il existe 21 acides aminés protéinogènes. Certains peuvent subir des modifications enzymatiques post-traductionnelles (ex: oxydation de la proline en hydroxyproline). Le Sélénocystéine est le 21ème acide aminé, un analogue de la cystéine. Il existe aussi plus de 300 acides aminés non constituants des protéines qui appartiennent au métabolisme intermédiaire (ex: la citrulline).

Les 9 acides aminés indispensables pour l'Homme ne peuvent pas être synthétisés par le corps humain et doivent être apportés par l'alimentation. Ce sont : Histidine, Leucine, Thréonine, Lysine, Tryptophane, Phénylalanine, Valine, Méthionine, Isoleucine. Les acides aminés non indispensables proviennent d'interrelations métaboliques.

C. Chaîne latérale (R)

Les propriétés physicochimiques des acides aminés sont principalement liées à la nature de leur chaîne latérale R. Cette chaîne varie en forme et en taille, influençant la réactivité chimique et physique (acidité/basicité, charge) et la solubilité (polarité). La chaîne latérale permet aux acides aminés de se spécialiser, se retrouvant à l'extérieur ou à l'intérieur d'une protéine, au niveau des sites actifs d'enzymes, des sites d'interaction protéique (antigène/anticorps, hormone/récepteur), ou aux interfaces entre milieux lipidique et aqueux.

III. Classification (suite)

A. Acides Aminés Hydrophobes

Ces acides aminés ont une très faible affinité pour l'eau et sont peu solubles. Leur chaîne latérale est composée uniquement d'atomes de Carbone et d'Hydrogène (sauf la proline, qui contient un Azote). Ils sont apolaires et se comportent comme des chaînes lipidiques. Exemples : Glycine, Alanine, Valine, Phénylalanine, Leucine, Isoleucine, Proline.

B. Acides Aminés Hydrophiles

Leur chaîne latérale contient, en plus du carbone et de l'hydrogène, de l'Oxygène, du Soufre et de l'Azote. Ils ont une affinité pour l'eau et sont solubles. Ils sont polaires, avec des chaînes latérales pouvant être acides ou basiques, ce qui leur permet d'interagir avec l'eau. Exemples : Arginine, Histidine, Acide Aspartique, Acide Glutamique, Sérine, Cystéine, Asparagine, Glutamine.

C. Acides Aminés Amphipathiques

Ces acides aminés possèdent à la fois des propriétés hydrophobes et hydrophiles, ce qui les rend idéaux pour former des interfaces. Exemples : Thréonine, Méthionine, Lysine, Tyrosine et Tryptophane. La Tyrosine est une parahydroxyphenylalanine, possédant une région polaire (OH) et apolaire (noyau aromatique). Le Tryptophane est l'acide aminé aromatique le plus rare, fragile, et possède un noyau indole.

IV. Propriétés Physiques

A. Asymétrie

Les acides aminés sont des molécules asymétriques, le Carbone α étant entouré de 4 groupements différents (sauf la glycine). Cette asymétrie confère une chiralité à la molécule, créant des énantiomères (stéréoisomères images l'un de l'autre, non superposables, se comportant différemment). Les enzymes peuvent reconnaître un énantiomère mais pas l'autre.

La représentation de Fisher classe les acides aminés en série L (amine à gauche) ou D (amine à droite). Les acides aminés trouvés dans les protéines, végétaux et animaux sont majoritairement de la série L, tandis que ceux de la série D se trouvent dans les bactéries et les peptides antibiotiques.

B. Propriétés optiques

Les molécules asymétriques dévient la lumière polarisée, propriété appelée pouvoir rotatoire. Elles sont optiquement actives, à l'exception de la glycine. Certains acides aminés sont dextrogyres (dévient à droite) et d'autres lévogyres (dévient à gauche). La série L ne garantit pas la lévogirie, la déviation dépendant de la taille des substituants. L'intensité de cette déviation est mesurable par la loi de Biot (A° = [α]λT * l * c) et les pouvoirs rotatoires des mélanges s'additionnent.

C. Absorption moléculaire des Acides Aminés

La mesure de l'absorption moléculaire des acides aminés s'effectue par spectrophotométrie. Seuls 3 acides aminés aromatiques (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane) absorbent dans l'UV proche (260-290 nm) grâce à leurs noyaux aromatiques (Phénylalanine à 260 nm, Tyrosine à 275 nm, Tryptophane à 280 nm). L'absorbance de la tyrosine est prépondérante. Cette propriété permet de quantifier les acides aminés ou les protéines les contenant via la loi de Beer-Lambert. Pour les petits peptides, la présence d'acides aminés aromatiques facilite grandement un dosage précis.

D. Polarité des Acides Aminés

La polarisation d'une liaison covalente dépend de la différence d'électronégativité (EN) des atomes. Si l'EN est différente, un moment dipolaire est créé, rendant la liaison polarisée (ex: OH). Les atomes O, N, S sont plus électronégatifs que H, rendant les fonctions carboxylique, amine, hydroxyle et thiol polarisées. Ces liaisons polarisées peuvent interagir avec d'autres liaisons polarisées, comme celles des molécules d'eau, qui sont hydrophiles.

Il existe deux types d'AA polaires : chargés et non chargés.

Acides Aminés Polaires Chargés

Ils possèdent une fonction acide carboxylique (Asp, Glu) ou une fonction basique (Arg, Lys, His) dans leur chaîne latérale. À pH physiologique, les acides s'ionisent pour une charge négative (COO-) et les bases pour une charge positive (NH3+). Ces acides aminés développent des interactions électrostatiques et ion-dipôle. La force de ces interactions dépend de la distance et de l'environnement (constante diélectrique). L'eau, par exemple, masque partiellement ces interactions. La diversité structurale et fonctionnelle des AA est influencée par le contexte biologique.

Les AA acides (Asp, Glu) ont une fonction carboxylique dans leur chaîne latérale, chargée négativement à pH physiologique. Ces charges négatives permettent des interactions électrostatiques importantes pour la structure tridimensionnelle des protéines, y compris les sites de liaison inter-protéique.

Les AA basiques (Lys, Arg, His) possèdent 6 atomes de carbone. La Lysine est amphipathique avec une fonction amine très basique. L'Arginine a un noyau guanidinium avec une très forte affinité pour les protons, conférant une grande stabilité à sa forme protonée et un pouvoir basique élevé ; elle est hydrophile et non amphipathique. L'Histidine, avec un pK de 6,0, est une base faible capable de capter et libérer un proton, agissant comme un excellent échangeur de protons, souvent au niveau des sites catalytiques des enzymes.