Biochimie: Acides Aminés et Propriétés

A - Introduction à la Biochimie

• Labiochimie est l'étude des bases moléculaires de la vie.

• Discipline récente ayant permis des découvertes majeures (double hélice de l'ADN, traduction, voies métaboliques).

• Principes communs à diverses expressions de la vie sont basés sur des structures moléculaires.

• Influence profonde de la biochimie sur la médecine (mécanismes moléculaires des maladies, dosages enzymatiques pour diagnostic).

• Les protéines jouent un rôle crucial dans presque tous les processus biologiques:

  • Catalyse enzymatique (enzymes = macromolécules)

  • Transport (traversée de membranes)

  • Mouvements coordonnés (muscles)

  • Supportsmécaniques (os)

  • Transmission de l'influx nerveux (canaux voltagedependant

  • Croissance, différenciation

  • Rôle structural

• Les protéines sont constituées d'acides aminés (aa) quisont des "briques" aux fonctions diverses.

B - Les Acides Aminés

1- Généralités

• L'hydrolyse des protéines fournit presque exclusivement des alpha acides aminés.

• Les protéines naturelles peuventcontenir jusqu'à 20 aa différents.

• En plus d'une fonction acide et amine, certains aa peuvent avoir des groupements fonctionnels supplémentaires.

2- Nomenclature

• Nomenclature officielle: "acide alpha amino-" suivi du nom del'acide organique (ex: alpha amino-propionique = alanine).

• Usage courant: dénomination ancienne.

• Système d'abréviation:

  • Ancien: trois lettres

  • Moderne: lettre unique (de plus en plus utilisé)

3- Pouvoir rotatoire

• Capacité de dévier le plan d'une lumière polarisée.

• Lié à la présence d'un carbone asymétrique.

  • Exception:La glycine n'en possède pas.

• Sens de rotation:

  • Sens aiguilles d'une montre: dextrogyre (+)

  • Sens inverse: lévogyre (-)

4- Configuration

• Tous les aa protéinogènes, sauf la glycine, ont un carbone alpha asymétrique (2 isomères optiques).

• Convention de Fisher:

  • Fonction amine orientée à gauche: aa de la série L.

  • Fonction amine orientée à droite: aa de la série D.

• Les aa de la sérieD ont été isolés chez les bactéries.

• Par convention, les aa sont tous rattachés à la série L dans les protéines.

La série ne désigne en aucun cas le pouvoir rotatoire.

5- Structure et Classification

• Les aa diffèrent par la nature de leur chaîne latérale (dimension, forme, charge, capacité de liaisons H, réactivité).

• Toutes les protéines sont construites à partir du même groupe de 20 acides aminés.

Acides Aminés Aliphatiques

• Glycine (Gly, G):

  • Le plus simple, un atome d'hydrogène. Pas de Carbone asymétrique.

  • Ajoute de la flexibilité aux chaînes polypeptidiques (s'insère dans des espaces étroits, ex: collagène).

• Alanine (Ala, A):

  • Abondante, plus rigide que la Glycine, groupement stérique limité.

  • Trouvé dans le cœur hydrophobe et la surface hydrophile des protéines.

• Valine (Val, V), Isoleucine (Ile, I), Leucine (Leu, L):

  • Essentiels pour l'Homme.

  • Résidus hydrophobes, importants pour le repliement des protéines (tendent à occuper l'intérieur des structures 3D).

• Chaînes latérales aliphatiques longues:

  • Hydrophobes (n'aiment pas l'eau), tendent à se rapprocher.

  • Impliquées dans la stabilisation de la structure 3D des protéines hydrosolubles.

• Proline (Pro, P):

  • Chaîne latérale cyclique particulière.

  • Donne une conformation rigideaux chaînes (souvent dans les coudes).

  • Amine secondaire intracyclique, géométrie différente.

  • Souvent en position terminale des structures secondaires (-hélices et feuillets ).

  • Présente dans le collagène sous forme d'hydroxyproline (modification post-traductionnelle).

Acides Aminés Aromatiques

• Tryptophane (Trp, W):

  • Noyau indole avec groupement méthylène.

  • Aa essentiel, groupe aromatique, volumineux et hydrophobe (à l'intérieur des protéines).

• Phénylalanine (Phe, F):

  • Noyau phényle avec groupement -CH- .

  • Apportée par l'alimentation, plutôt à l'intérieur des protéines.

  • Peut être convertie en tyrosine par hydroxylation.

• Tyrosine (Tyr, Y):

  • Noyau aromatique et groupement hydroxyle.

  • Moins hydrophobe que la PHE.

  • Volumineux, précurseur de la mélanine et des hormones thyroïdiennes.

  • Fluorescence parfois interrompue par transfert d'énergie au TRP.

• Propriétés communes:

  • Noyaux aromatiques avec nuages électroniques délocalisés (interactions , transfert d'électrons).

  • Fluorescents à bonne longueur d'onde.

Acides Aminés Soufrés

• Cystéine (Cys, C):

  • Contient un groupement sulfhydrile (-SH).

  • Très réactif.

  • Deux cystéines forment un pont disulfure (cystine), stabilisant la structure tertiaire des protéines (ex: enzymes digestives, kératines, insuline).

• Méthionine (Met, M):

  • Contient un atome de soufre sous forme de liaison thioéther (-S-CH).

  • Aa essentiel pour l'Homme.

  • Toujours le premier aa dans les protéines (peut être retiré post-traductionnellement).

• Les chaînes latérales sont toutes deux hydrophobes.

Acides Aminés Hydroxylés

• Sérine (Ser, S), Thréonine (Thr, T):

  • Possèdent un groupement hydroxyle (-OH).

  • Plus hydrophiles et réactifsque la valine et l'alanine.

  • La thréonine a deux carbones asymétriques.

  • Groupe -OH avec atome d'hydrogène labile, souvent donneurs d'hydrogène dans les enzymes.

  • Très hydrophiles, situés préférentiellement à la surface des protéines solubles.

Acides Aminés Basiques

• Lysine (Lys, K), Arginine (Arg, R), Histidine (His,H):

  • Lysine et Arginine ont les plus longues chaînes latérales.

  • Basiques: à pH neutre, chaînes latérales portent une charge + .

  • Permettent la liaison de protéines riches en aabasiques aux acides nucléiques (ex: histones-ADN/ARN).

  • Généralement à la surface des protéines.

  • En profondeur, interactions par liaisons salines avec des résidus chargés négativement (ASP, GLU).

  • Lysine et Arginine sont essentiels pour l'Homme.

• L'Histidine a un pKa de chaîne latérale de $6$.

Acides Aminés Acides ou Dicarboxyliques

• Aspartate (Asp, D), Glutamate (Glu, E):

  • Chargés négativement à pH physiologique ().

  • Portent un groupement -COOH hydrophile et acide.

  • Généralement situés à la surface des protéines, contribuant à leur solubilité.

  • En profondeur, Aspartate forme des liaisons salines avec des aa basiques.

  • Agissent comme accepteurs de liaison hydrogène.

  • Le Glutamate est un neurotransmetteur excitateur majeur du SNC.

Acides Aminés à Chaînes Latérales Porteusesde Fonction Amide

• Asparagine (Asn, N), Glutamine (Gln, Q):

  • Dérivés des acides aminés acides, mais non chargés.

Classification enfonction de la polarité et de la charge des chaînes latérales à pH neutre ()

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

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

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

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

6 - Propriétés Physico-chimiques des Acides Aminés

Caractèreampholyte

• Les acides aminés possèdent deux groupements ionisants: carboxylique (-COOH, acide) et amine (-NH, basique).

• Prennent une forme dipolaire (ion mixte), ce sont des moléculesamphotères (agissent comme acides et bases).

• La forme dipolaire peut:

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

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

• Le point isoélectrique (pHi) est le pH où une molécule a une charge globale nulle (forme zwittérion).

  • Tous les acides aminés possèdent un pHi.

  • Le pHi est le pH où l'aa en solution tamponnée a une charge nette nulle.

• Rappel:

  • Quand : forme protonée majoritaire.

  • Quand : concentrations égales des formes protonée et déprotonée.

  • Quand : forme déprotonée majoritaire.

• Le pK des groupements d'acides aminés peut être déterminé par courbe de titration.

• Le pH d'un AA correspond au point d'inflexion de la courbe.

• 7 des 20 aa protéinogènes (R, D, E, H, K, Y) ont des chaînes latérales facilement ionisables.

• Au sein d'une protéine, le NH terminal () et COOH terminal () peuvent être ionisés.

7 - Propriétés Chimiques des Acides Aminés

Propriétés de la fonction carboxylique

• Estérification par un alcool:

  • En présence d'un acide fort.

  • Réaction classique pour séparer les aa (dérivés esters butyliques).

• Formation d'amide:

  • Le carboxyle peut interagir avec une amine pour former un groupement amide (perte de ).

  • Typique avec l'asparagine ou la glutamine.

  • Ex: synthèse de l'asparagine à partir d'aspartate et de glutamine via asparagine synthétase (nécessite ATP).

  • Création de la liaison peptidique: condensation du COOH du premier aa et du NH du deuxième aa (produit secondaire ).

    • Extrémité N-terminale (groupe amine libre).

    • Extrémité C-terminale (groupe carboxyle libre).

• Réaction de décarboxylation:

  • Permet la synthèse d'amine (chimique ou enzymatique par décarboxylase spécifique).

  • Production de .

  • Ex: Histidine Histamine (vasodilatateur).

  • Ex: Acide glutamique GABA (neurotransmetteur).

Propriétés liées à la fonction NH

• Formation d'imine "base de Schiff":

  • Réaction du NH avec une fonction aldéhyde.

  • Déshydratation, double liaison C=N. Amine secondaire.

  • Méthode de détection par fluorescence.

• N-acylation:

  • Réaction avec anhydres ou chlorures d'acides.

  • Formation de composés N-acylés.

• Action du 1-fluoro 2,4-dinitrobenzène:

  • Réagit avec fonctions amines, forme un dérivé N-2,4-dinitrophénylé (coloré en jaune).

  • Facilement identifiable par chromatographie ou dosable par spectrophotométrie (360 nm).

  • Utilisé par F. Sanger (1953) pour établir la première structure d'une protéine(insuline).

  • La liaison entre le 2,4-dinitrophényl et la fonction amine de l'aa N-terminal est stable à l'hydrolyse acide.

• Carbamylation (réactif d'Edman):

  • À pH basique () avec phénylisothiocyanate (PTC).

  • Donne un dérivé phénylthiohydantoïne-aminoacide (PTH-aminoacide) (absorbe dans l'UV, séparable par chromatographie).

  • Réaction avec l'aa N-terminal d'une protéine libère un PTH-aminoacide et une protéine raccourcie.

  • Permet de déterminer la structure primaire de la protéine (dégradation récurrente d'Edman).

• Dansylation:

  • Action du chlorure de dansyle.

  • Donne un DNS-aminoacide stable et fluorescent.

• Désamination:

  • In vitro et in vivo, la fonction NH peut perdre son groupement sous forme de NH.

  • Peut être oxydative ou non.

  • Libération d'ammoniac libre. Concerne principalement le foie et les reins.

  • Fournit les précurseurs de la synthèse de l'urée et des acides -cétoniques (pour l'énergie).

  • Réalisée par: L-amino acid oxidases, D-aminoacid oxidases, Glutamate déshydrogénase.

• Réaction avec la ninhydrine:

  • La ninhydrine est un révélateur des acides aminés.

  • Réagit en cascade (imine, décarboxylation, hydrolyse, condensation).

  • Produit final: coloration violette (pourpre de Ruhemann) à 570 nm.

  • Exceptions: Proline et OH-proline donnentune coloration jaune (440 nm).

  • Réaction lente, d'autres méthodes sont utilisées. Utilisable en CCM.

Propriétés de la chaîne latérale

• Groupementsthiols (-SH, sur la Cystéine):

  • Deux cystéines forment une cystine par oxydation (liaisons S-S intradisulfure), stabilisant la structure 3D.

  • Les ponts disulfures peuvent être réduits par 2-mercaptoéthanol et dithiothréitol.

  • L'iodoacétamide (agent alkylant) empêche l'oxydation de la cystéine (bloque les fonctions thiols).

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

  • Phosphorylation (estérification) par l'acide phosphorique chez les eucaryotes.

  • Modification post-traductionnelle capitale: implication dans processus cellulaires (différenciation, division, apoptose) et signalisation.

  • Induit des modifications structurelles et fonctionnelles (activité enzymatique).

  • Tauxde phosphorylation (S/T/Y): 1000 / 100 / 1.

  • Réversible par déphosphorylation (protéine phosphatase).

• O-glycosylation (Sérine, Thréonine):

  • Ajout de glucides sur l'oxygène (O) de la chaîne latérale.

  • Dans la lumière de l'appareil de Golgi.

  • Catalysée par glycosyl-transférase, débute souvent par N-acétyl galactosamine.

• N-glycosylation (Asparagine):

  • Ajout de glucides aux chaînes peptidiques dès l'entrée dans la lumière du Réticulum Endoplasmique.

  • Processus co-traductionnel.

  • Oligoside N-glycosylé se lie à une asparagine (Asn) d'une séquence consensus Asn-X-Ser/Thr (X tout aa sauf Pro).

  • Catalysée par ol