Acides aminés : structure et propriétés

Les acides aminés sont les unités de base des protéines. Leur structure, déterminée par un carbone α central et une chaîne latérale R unique, définit leurs propriétés biologiques et chimiques. Comprendre cette structure générale et la classification des acides aminés selon leur hydrophobicité est essentiel pour expliquer comment les protéines interagissent et fonctionnent dans l'organisme.

Tous les acides aminés possèdent une structure commune autour du carbone α (carbone alpha). Ce carbone central forme quatre liaisons covalentes : avec un groupement carboxyle (COO-), une fonction amine (NH3+), un atome d'hydrogène (H) et une chaîne latérale R. Le carbone α porte donc une charge positive et une charge négative à pH physiologique, formant une molécule amphotère appelée zwitterion. Cette structure centrale est commune à tous les acides aminés ; c'est la nature et la structure de la chaîne latérale R qui détermine les propriétés distinctes de chaque acide aminé.

Les 20 acides aminés protéinogènes se classent en trois catégories selon les propriétés de leur chaîne latérale. Les acides aminés hydrophobes (glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, phénylalanine) contiennent uniquement du carbone et de l'hydrogène, peu solubles dans l'eau et repoussant l'eau. Les acides aminés hydrophiles (arginine, histidine, acide aspartique, acide glutamique, sérine, cystéine, asparagine, glutamine, tyrosine) contiennent des hétéroatomes (O, N, S) rendant leurs chaînes polaires et solubles en milieu aqueux. Les acides aminés amphipathiques (thréonine, méthionine, lysine, tryptophane, tyrosine) possèdent à la fois des régions hydrophobes et hydrophiles, permettant des interactions à l'interface entre l'eau et les lipides.

Au-delà de leurs rôles structuraux dans les protéines, les acides aminés subissent régulièrement des modifications post-traductionnelles : enzymes de la cellule modifient les acides aminés déjà incorporés dans les protéines. La proline peut être hydroxylée en hydroxyproline, la lysine en hydroxylysine, et la cystéine oxydée en cystine. Ces modifications changent les propriétés des acides aminés et modifient la fonction biologique de la protéine. Par exemple, la sérine et la thréonine peuvent être phosphorylées par des protéines kinases, ce qui active ou inhibe les protéines selon le contexte cellulaire, illustrant comment la structure chimique détermine directement la fonction biologique.

Les acides aminés possèdent des propriétés optiques et ioniques essentielles à la compréhension de leurs interactions au sein des protéines. Ce chapitre explore l'asymétrie chirale, le pouvoir rotatoire, l'ionisation selon le pH, et la réactivité des groupements thiols qui stabilisent les structures protéiques.

Tous les acides aminés sauf la glycine possèdent un carbone asymétrique (carbone α) lié à quatre groupements différents. Cette asymétrie confère une chiralité aux molécules : elles existent sous deux formes stéréoisomères, L et D, non superposables. En représentation de Fisher, si le groupe amine est positionné à gauche du carbone asymétrique, l'acide aminé appartient à la série L; s'il est à droite, il appartient à la série D. Les acides aminés protéiques sont majoritairement de la série L.

Trois acides aminés aromatiques absorvent la lumière ultraviolette proche (260–290 nm) en raison de leurs noyaux aromatiques : la phénylalanine (absorption maximale à 260 nm), la tyrosine (275 nm) et le tryptophane (280 nm). La tyrosine est souvent utilisée pour quantifier les acides aminés et protéines par spectrophotométrie à 275 nm, car elle est plus abondante que le tryptophane. Le tryptophane, bien que le plus rare des acides aminés, absorbe à la longueur d'onde la plus élevée et possède une chaîne latérale avec un noyau indole.

La polarité d'une liaison covalente dépend de la différence d'électronégativité entre les atomes. Les atomes O, N et S sont plus électronégatifs que H, ce qui rend les liaisons O–H, N–H et S–H polarisées. Les liaisons hydrogène se forment entre un atome électronégatif portant un doublet non liant (O, N, S) et un atome d'hydrogène engagé dans une liaison polarisée. Cette interaction, bien que faible, est cruciale : tout composé capable de former des liaisons hydrogènes avec l'eau est hydrosoluble et hydrophile.

Les acides aminés sont des molécules amphotères : ils possèdent au moins deux groupements ionisables (carboxyle et amine). Selon le pH, ils existent sous trois formes : cationique à pH acide, forme de zwitterion (ion dipolaire avec charge globale nulle) à pH intermédiaire, et anionique à pH basique. Le pH isoélectrique (pHi) est le pH auquel l'acide aminé existe majoritairement sous forme de zwitterion, calculé comme la moyenne des deux pK concernés : pHi = (pKa(COOH) + pKa(NH₂)) / 2. Un acide aminé ayant une chaîne latérale ionisable (Asp, Glu, Arg, Lys, His) possède un pK supplémentaire qui modifie son pHi.

La cystéine contient un groupement thiol (−SH) dans sa chaîne latérale, ce qui la rend polaire et capable de former des liaisons hydrogènes. Sa caractéristique majeure est sa capacité à s'oxyder facilement. Deux résidus cystéine adjacents ou proches dans l'espace peuvent former une liaison covalente très stable appelée pont disulfure (ou pont disulfide) via oxydation de leurs groupements thiols. Ces ponts disulfures jouent un rôle structural crucial en rapprochant des acides aminés éloignés dans la séquence peptidique, stabilisant la structure tertiaire des protéines. Par exemple, l'insuline contient trois ponts disulfures (un intra-chaîne et deux inter-chaînes) essentiels à son activité biologique.

Les acides aminés s'assemblent en chaînes peptidiques via la liaison peptidique, une liaison amide rigide formée par condensation entre la fonction carboxyle d'un acide aminé et la fonction amine d'un autre, avec libération d'eau. Cette liaison plane et stabilisée par mésomérie contraint fortement la géométrie de la chaîne peptidique, limitant les conformations possibles de la protéine. Les protéines adoptent ensuite quatre niveaux de structure hiérarchiques : la structure primaire (ordre des acides aminés), les structures secondaires (hélices et feuillets), la structure tertiaire (repliement 3D fonctionnel) et la structure quaternaire (association de plusieurs sous-unités).

La structure primaire est simplement la séquence linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique, définie de l'extrémité N-terminale (groupe amine libre) à l'extrémité C-terminale (groupe carboxyle libre). La distance entre deux carbones α successifs est constante à 3,6 Å, indépendamment de la nature des chaînes latérales. Cette structure primaire détermine comment la protéine se repliera dans l'espace et, de ce fait, toutes ses propriétés tridimensionnelles et fonctionnelles.

Les structures secondaires ordonnées incluent deux principaux types : les hélices α et les feuillets β plissés. L'hélice α droite, la plus commune, enroule la chaîne peptidique en spirale avec 3,6 résidus par tour et un pas de 5,4 Å, stabilisée par des liaisons hydrogène intra-caténaires entre le groupe carbonyle d'un acide aminé en position n et le groupe amine de celui en position n+4. L'hélice α gauche, plus rare, compte 3,3 résidus par tour et ne peut se stabiliser seule ; elle forme des triples hélices inter-caténaires comme dans le collagène, où les hydroxyproline et hydroxylysine établissent de nombreuses liaisons hydrogène entre chaînes adjacentes.

Les feuillets β plissés sont des structures secondaires formées par l'association latérale de chaînes peptidiques colinéaires, stabilisées par des liaisons hydrogène inter-caténaires. Les feuillets antiparallèles, où les chaînes sont orientées dans des sens opposés, sont beaucoup plus stables avec près de 6 liaisons hydrogène par « rangée », tandis que les feuillets parallèles, avec les chaînes dans le même sens, ne possèdent que 4 liaisons hydrogène et sont donc moins stables. Les coudes β (virages) et les boucles permettent à la chaîne de changer de direction ; les coudes sont des structures compactes de 3 à 4 résidus stabilisées par une liaison hydrogène intra-caténaire entre les positions n et n+3.

La structure tertiaire est la conformation tridimensionnelle repliée d'une chaîne polypeptidique unique, résultant du repliement sur elle-même sous l'effet d'interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, quelle que soit leur distance dans la séquence primaire. Cette structure est stabilisée par plusieurs types d'interactions : les ponts disulfures covalents entre deux résidus cystéine (ΔG° = −350 kJ·mol⁻¹, les plus stables), et les interactions non covalentes incluant les liaisons hydrophobes (ΔG° ≈ −10 kJ·mol⁻¹), les liaisons électrostatiques (ΔG° ≈ −4 kJ·mol⁻¹), les liaisons hydrogène (ΔG° ≈ −3 kJ·mol⁻¹) et les interactions dipôle-dipôle (ΔG° ≈ −1 kJ·mol⁻¹). La structure tertiaire native est celle qui confère à la protéine sa fonction biologique.

Les protéines solubles, qui circulent en solution aqueuse (plasma, cytosol), présentent une structure tertiaire compacte et globulaire : les résidus hydrophiles se rassemblent à la surface pour interagir avec l'eau, tandis que les résidus hydrophobes sont enfouis à l'intérieur, créant un « cœur hydrophobe ». En contraste, les protéines membranaires s'intègrent dans le milieu lipidique des membranes biologiques ; leur structure reflète cet environnement multiphasique, avec les résidus hydrophiles orientés vers les phases aqueuses (intra- et extracellulaire) et les résidus hydrophobes vers le bicouche lipidique. Les grands domaines structuraux et les motifs récurrents (clé grecque, faisceaux d'hélices, cylindre α/β) constituent des unités fonctionnelles distinctes souvent dérivées de la fusion de gènes ancestraux.

La structure quaternaire décrit l'assemblage de deux ou plusieurs sous-unités polypeptidiques distinctes formant un complexe oligomérique fonctionnel. Les protéines oligomériques peuvent être homopolymères (sous-unités identiques) ou hétéropolymères (sous-unités différentes) ; seule l'association complète des sous-unités confère l'activité biologique. L'insuline, par exemple, est fonctionnelle uniquement sous sa forme homodimérique (deux chaînes A et B liées par des ponts disulfures inter-caténaires) ; la dissociation de cette structure quaternaire entraîne une perte totale d'activité hormonale. Les liaisons stabilisant la structure quaternaire sont les mêmes que celles de la structure tertiaire : ponts disulfures et interactions non covalentes entre les surfaces de contact des sous-unités.