(CM1) peptides et protéines

Les acides aminés sont les briques élémentaires de toutes les protéines. Ils existent plusieurs centaines de formes différentes dans la nature, mais seulement 21 d'entre eux sont incorporés dans les protéines eucaryotes au cours de la traduction. Comprendre leur structure générale et leur classification est essentiel pour maîtriser la biochimie des protéines.

Tous les acides aminés partagent un squelette commun constitué de trois éléments : un groupe amine (NH₂), un groupe carboxyle (COOH) et une chaîne latérale (R), tous trois attachés au même atome de carbone appelé carbone alpha (Cα). Le carbone alpha est asymétrique dans 19 des 20 acides aminés standards (exception notable : la glycine, dont la chaîne latérale est un simple atome d'hydrogène et ne possède donc pas de centre chiral). Cette asymétrie confère aux acides aminés une activité optique et détermine leur configuration spatiale dans les protéines.

Les 21 acides aminés protéiques se répartissent en trois classes majeures selon la nature chimique de leur chaîne latérale. Cette classification est fondamentale car elle détermine les propriétés physico-chimiques de chaque acide aminé et, par extension, le repliement et la fonction des protéines qui les contiennent.

Acides aminés apolaires : leur chaîne latérale est hydrophobe, c'est-à-dire qu'elle repousse l'eau et cherche à éviter le contact avec le milieu aqueux. On distingue deux sous-groupes : ceux à chaîne aliphatique (glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, méthionine, proline) et ceux à chaîne aromatique (phénylalanine, tryptophane). Ces acides aminés ont tendance à se regrouper à l'intérieur des protéines, loin de la surface aqueuse.

Acides aminés polaires neutres : leur chaîne latérale contient des atomes polaires (oxygène ou azote) ou soufrés, mais reste globalement non chargée à pH physiologique. Trois sous-groupes les caractérisent : ceux à fonction alcool ou phénol (sérine, thréonine, tyrosine), celui à fonction soufrée (cystéine) et ceux à fonction amide (asparagine, glutamine). Ces acides aminés sont souvent en surface des protéines et peuvent établir des liaisons hydrogène.

Acides aminés polaires ionisables : leur chaîne latérale porte une charge électrique (positive ou négative) à pH physiologique, ce qui les rend hydrophiles. Les acides aminés à fonction acide (acide aspartique, acide glutamique) portent une charge négative, tandis que ceux à fonction basique (histidine, lysine, arginine) portent une charge positive. Ces charges électriques interviennent dans les interactions ioniques au sein des protéines et à leur surface.

Pour simplifier la manipulation des séquences protéiques, chaque acide aminé possède un code à trois lettres (par exemple Ala pour alanine, Gly pour glycine) et un code à une lettre (A pour alanine, G pour glycine). Ces codes sont utilisés de manière quasi-universelle en biochimie pour noter rapidement les séquences. Par convention, une chaîne polypeptidique est écrite en commençant par l'extrémité N-terminale (celle qui porte le groupe amine libre) et en terminant par l'extrémité C-terminale (celle qui porte le groupe carboxyle libre), ce qui sera approfondi au chapitre 6.

Les organismes humains ne peuvent synthétiser que 10 des 20 acides aminés standards de novo (c'est-à-dire à partir d'autres molécules). Les 10 autres doivent obligatoirement être apportés par l'alimentation : ce sont les acides aminés essentiels (histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane, valine). À l'inverse, les acides aminés non essentiels peuvent être synthétisés par l'organisme (alanine, asparagine, aspartate, cystéine, glutamate, glutamine, glycine, proline, sérine, tyrosine). Une catégorie intermédiaire existe : les acides aminés semi-essentiels (comme l'arginine), dont l'apport nutritionnel devient critique en période de croissance rapide ou de stress métabolique.

Au-delà des 20 acides aminés standards, deux formes rares sont incorporées dans certaines protéines, mais elles n'apparaissent que chez quelques organismes. La sélénocystéine (U ou Sec) est un acide aminé soufrés dérivé de la sérine, incorporé dans les protéines par traduction du codon UGA, qui est habituellement un codon stop. Elle joue un rôle important dans les protéines antioxydantes, notamment la glutathion peroxydase. La pyrolysine (notée O) n'a été découverte que dans certaines bactéries méthanogènes et archées ; elle est incorporée par traduction du codon UAG (normalement un codon stop). Ces deux acides aminés soulignent que le code génétique n'est pas aussi universel qu'on le pensait autrefois.

Les acides aminés apolaires possèdent une hydrophobicité liée à leur chaîne latérale non polaire, qui tend à éviter le contact avec l'eau. Cette propriété détermine leur localisation préférentielle dans les structures protéiques : les résidus hydrophobes s'enfouissent généralement dans le cœur des protéines, tandis que les résidus polaires et chargés se trouvent en surface. L'indice d'hydrophobicité selon Kyte et Doolittle quantifie cette tendance en une échelle continue, où des valeurs élevées (isoleucine, valine, leucine : ~4,2–4,5 kcal/mol) indiquent une forte hydrophobicité, tandis que la glycine (~0,4) et la thréonine (~0,5) sont quasi apolaires.

Les acides aminés apolaires à chaîne aliphatique (glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, méthionine, proline) diffèrent par la taille et la branchement de leur chaîne latérale. La proline est structurellement particulière : sa chaîne latérale se referme sur l'azote amidique du groupe α-amino, formant un cycle imidazolidine ; cette contrainte conformationnelle limite sa flexibilité et impose des restrictions dans les structures secondaires que nous verrons au chapitre 6. La méthionine, l'un des deux acides aminés soufrés, possède une chaîne aliphatique contenant un atome de soufre, ce qui lui confère une réactivité particulière.

Les trois acides aminés aromatiques — phénylalanine (Phe), tyrosine (Tyr) et tryptophane (Trp) — contiennent des cycles benzène ou indole dont les électrons π délocalisés absorbent fortement la lumière ultraviolette. Cette propriété est exploitée pour la détection et le dosage des protéines en solution par spectrophotométrie UV à 280 nm. Le tryptophane possède l'extinction molaire la plus élevée (~5600 M⁻¹·cm⁻¹ à 278 nm), suivi de la tyrosine (~1420 M⁻¹·cm⁻¹ à 275 nm), tandis que la phénylalanine absorbe faiblement (~195 M⁻¹·cm⁻¹ à 258 nm).

Au-delà de l'absorption, les acides aminés aromatiques sont fluorescents : le tryptophane en particulier affiche un rendement quantique notable (0,20) et une longueur d'onde d'émission décalée vers 348 nm, ce qui permet de détecter les protéines fluorescentes ou de suivre les changements de conformation. La tyrosine fluorescence également (303 nm) mais avec une intensité inférieure. Ces propriétés optiques font des acides aminés aromatiques des sondes spectroscopiques privilégiées en biochimie expérimentale.

La cystéine (Cys) possède une chaîne latérale contenant un groupe thiol (–SH), qui peut se dimeriser avec une seconde cystéine pour former un pont disulfure (liaison S–S) entre deux résidus de cystéine, créant un dimère appelé cystine. Cette liaison covalente est particulièrement importante en milieu oxydant (comme l'espace extracellulaire ou le réticulum endoplasmique) où elle stabilise les structures tridimensionnelles des protéines. Les ponts disulfure intra-caténaires (à l'intérieur d'une même chaîne) contribuent à la rigidité structurale, tandis que les ponts inter-caténaires (entre deux chaînes distinctes) assemblent les sous-unités protéiques. Des exemples classiques incluent l'insuline, dont deux ponts disulfure relient la chaîne A à la chaîne B, et les immunoglobulines, qui comportent plusieurs ponts disulfure essentiels à leur stabilité.

Le thiols des cystéines peuvent être manipulés expérimentalement : la réduction par le DTT (dithiotreitol) ou le β-mercaptoéthanol réduit les ponts disulfure en cysteines libres, tandis que l'alkylation par l'iodoacétate modifie irréversiblement le groupe thiol en carboxyméthyl-cystéine, bloquant toute réaction ultérieure. L'oxydation par l'acide performique oxyde le thiol en acide cystéique, une transformation utilisée pour quantifier les cysteines libres versus liées dans une protéine. La méthionine (Met), l'autre acide aminé soufré, ne forme pas de liaisons covalentes : son atome de soufre se trouve dans une fonction thioéther (–S–CH₃) stable mais réactive en oxydation.

L'asparagine (Asn) et la glutamine (Gln) portent une fonction amide secondaire (–CO–NH₂) sur leur chaîne latérale, ce qui les rend polaires mais non ionisables au pH physiologique. Ces résidus sont souvent trouvés en surface des protéines, où ils participent à des interactions hydrogène avec le solvant ou d'autres résidus. L'asparagine est le siège principal de la N-glycosylation dans les glycoprotéines : les sucres (oligosaccharides) s'attachent spécifiquement sur l'atome d'azote de la fonction amide asparagine, généralement selon un motif de consensus (Asn–X–Ser/Thr, où X ≠ Pro). Cette modification post-traductionnelle ajoute une masse de plusieurs centaines de Daltons et joue un rôle crucial dans la reconnaissance cellulaire, la stabilité et le repliement correct des protéines.

Au-delà de la synthèse ribosomale, les protéines subissent des modifications covalentes post-traductionnelles qui affectent leurs propriétés chimiques et fonctionnelles. La phosphorylation est une modification réversible majeure, catalysée par des kinases : elle ajoute un groupement phosphate (–OPO₃²⁻, masse +80 Da) sur l'hydroxyle des résidus sérine, thréonine ou tyrosine, modifiant leur charge et leur hydrophobicité. La phosphorylation régule la fonction protéique en altérant les interactions intra-protéiques et les interactions protéine–protéine, ce qui en fait un mécanisme de signalisation cellulaire fondamental. La glycosylation (N-glycosylation sur asparagine, O-glycosylation sur sérine ou thréonine) ajoute des oses, augmentant la masse et favorisant la reconnaissance cellulaire. D'autres modifications incluent l'acétylation (lysine, +42 Da), l'ubiquitination (couplage d'une protéine ubiquitine entière), la méthylation (lysine, +14 Da) et l'ADP-ribosylation (glutamate ou aspartate, >200 Da).

Les acides aminés aromatiques (tyrosine en particulier) subissent aussi des modifications chimiques expérimentales : l'iodation par ICl incorpore un atome d'iode dans le cycle benzène, augmentant la densité électronique et modifiant les propriétés spectrales — une technique classique pour le marquage radioactif ou la détection des protéines. Ces modifications amplifient la diversité fonctionnelle au-delà des 20 acides aminés protéiques standards, transformant les protéines en récepteurs à plusieurs couches de régulation chimique et biologique.

Tous les acides aminés protéiques, à l'exception de la glycine, possèdent un carbone alpha (Cα) asymétrique — un carbone lié à quatre substituants différents. Ce centre asymétrique, appelé centre chiral, confère à la molécule une propriété fondamentale : elle n'est pas superposable à son image dans un miroir. Cette propriété s'appelle chiralité (du grec « cheir » signifiant main). Les molécules chirales existent donc sous deux formes distinctes, appelées énantiomères, qui sont des images miroir l'une de l'autre.

La glycine est l'unique exception parmi les vingt acides aminés standard : son carbone alpha porte deux atomes d'hydrogène identiques, ce qui élimine l'asymétrie. Par conséquent, la glycine n'est pas optiquement active et n'existe que sous une seule forme. Les dix-neuf autres acides aminés possèdent tous cette asymétrie au niveau du Cα.

Chaque acide aminé chiral existe sous deux formes : la forme L (S) et la forme D (R), qui sont des énantiomères — des isomères optiques non superposables. Un point capital : seule la forme L est retrouvée naturellement dans les protéines eucaryotes. Les acides aminés de configuration D sont rares dans la nature et apparaissent principalement dans certains peptides antibiotiques (comme la gramicidine S) ou dans les parois bactériennes, mais jamais dans les protéines cellulaires standard.

Pour déterminer rapidement si un acide aminé est de configuration L ou D, on utilise la règle mnémonique CORN. En regardant le carbone alpha depuis l'atome d'hydrogène (c'est-à-dire en mettant mentalement l'hydrogène « vers l'arrière »), on lit les trois autres substituants dans l'ordre suivant : Carboxyle, Oxygène, R (chaîne latérale), Nazote. Si cette lecture s'effectue dans le sens des aiguilles d'une montre, la configuration est L (qui correspond à la nomenclature S en notation Cahn–Ingold–Prelog). Cette règle s'applique uniformément à tous les acides aminés et offre un moyen fiable et rapide de vérifier la stéréochimie.

La projection de Fischer est un outil classique pour visualiser et comparer les stéréoisomères. Dans cette projection, les liaisons horizontales sortent du plan du papier (en avant), tandis que les liaisons verticales se dirigent vers l'arrière. Grâce à ce formalisme, il est facile d'identifier les énantiomères : deux molécules dont tous les groupes sont en position inverse l'un par rapport à l'autre sont des énantiomères (images miroir). Les diastéréoisomères, en revanche, ne sont pas des images miroir complètes — ils ne diffèrent que par la configuration de certains centres chiraux, pas tous.

Un exemple instructif est la thréonine, qui possède deux centres asymétriques (au Cα et au carbone portant le groupe hydroxyle). La thréonine naturelle (L-thréonine) possède une configuration stéréochimique précise aux deux centres. Les quatre stéréoisomères théoriquement possibles (I, II, III, IV) se divisent ainsi : I et II sont des énantiomères, III et IV sont des énantiomères, mais I et III, I et IV, II et III, et II et IV sont des diastéréoisomères — ils sont stéréoisomères sans être des images miroir exactes.

L'activité optique est la propriété qu'ont les molécules chirales de faire tourner le plan de la lumière polarisée plane lorsqu'elle les traverse. Dix-neuf des vingt acides aminés (tous sauf la glycine) sont optiquement actifs. Les deux énantiomères L et D d'un même acide aminé font tourner la lumière polarisée de la même amplitude mais dans des directions opposées — l'un vers la droite (dextrogyre, noté « + » ou « d »), l'autre vers la gauche (lévogyre, noté « − » ou « l »). Cette opposition directionnelle permet de différencier les formes L et D sur le plan expérimental en utilisant un polarimètre.

Les acides aminés aromatiques — phénylalanine, tyrosine et tryptophane — absorbent fortement la lumière ultraviolette en raison de leurs cycles aromatiques, qui possèdent des électrons délocalisés. Ces trois acides aminés présentent des longueurs d'onde d'absorption maximale (λmax) distinctes : le tryptophane absorbe à 279,8 nm avec une absorbance molaire très élevée (5600 M⁻¹·cm⁻¹), la tyrosine à 274,6 nm (1420 M⁻¹·cm⁻¹), et la phénylalanine à 257,4 nm (197 M⁻¹·cm⁻¹). Cette différence d'absorption est exploitée en biochimie pour doser les protéines pures en solution par spectrophotométrie UV à 280 nm.

Au-delà de l'absorption, ces trois acides aminés sont aussi fluorescents — ils émettent de la lumière après excitation. La fluorescence est caractérisée par deux paramètres clés : la longueur d'onde d'émission maximale (λmax fluor) et le rendement quantique (Φ), qui mesure l'efficacité de la conversion entre photons absorbés et photons émis. Le tryptophane émet à 348 nm avec un rendement quantique de 0,20, la tyrosine à 303 nm avec Φ = 0,21, et la phénylalanine à 282 nm avec Φ = 0,04. Le tryptophane est le plus fluorescent des trois, ce qui en fait un excellent marqueur intrinsèque en spectroscopie de fluorescence pour étudier les changements de conformation des protéines.

Ces propriétés spectroscopiques ont des implications pratiques importantes : les protéines contenant du tryptophane ou de la tyrosine peuvent être détectées et quantifiées directement en solution sans marquage supplémentaire. De plus, la fluorescence du tryptophane est sensible à l'environnement local (polarité, présence d'ions, interactions avec d'autres résidus), ce qui permet d'utiliser ces acides aminés comme des sondes pour sonder les changements structuraux et les dynamiques moléculaires des protéines.

Chaque acide aminé possède trois groupes ionisables : le groupe carboxyle alpha (α-COOH), le groupe amine alpha (α-NH₃⁺), et éventuellement la chaîne latérale. Chacun est caractérisé par une constante d'acidité pKa, qui représente le pH auquel 50% de la forme protonée et 50% de la forme déprotonée coexistent en solution. Le groupe α-carboxyle a un pKa proche de 2 (intervalle 1,7–2,4 selon l'acide aminé), le groupe α-amine a un pKa proche de 9,4 (intervalle 8,8–10,4), et la chaîne latérale ionisable (désignée pKR) varie considérablement selon le résidu.

À pH physiologique (pH ≈ 7), les groupes α-carboxyle et α-amine sont toujours complètement ionisés : le groupe carboxyle est sous forme COO⁻ (car pH >> pKa ≈ 2) et le groupe amine est sous forme NH₃⁺ (car pH << pKa ≈ 9,4). Cela signifie que la forme ionisée des deux groupes est prépondérante dans les conditions biologiques normales.

Un zwitterion est une molécule amphotère portant simultanément une charge positive et une charge négative. Pour un acide aminé simple, la forme zwitterionique comporte une charge +1 sur le groupe amine (NH₃⁺) et une charge −1 sur le groupe carboxyle (COO⁻), ce qui donne une charge nette globale de 0. En milieu acide (pH < pKa du groupe carboxyle), le groupe carboxyle capture un proton et devient COOH neutre ; la charge globale devient +1. En milieu basique (pH > pKa du groupe amine), le groupe amine perd son proton et devient NH₂ neutre ; la charge globale devient −1.

Le point isoélectrique (pI) est le pH auquel la charge nette d'un acide aminé est exactement zéro, c'est-à-dire le pH auquel il existe sous sa forme zwitterionique. À ce pH, les molécules ne migrent pas en électrophorèse puisqu'elles sont électriquement neutres. Chaque acide aminé possède un pI différent, déterminé par ses pKa.

Les formules de calcul du pI dépendent de la nature ionisable de la chaîne latérale. Pour les acides aminés sans chaîne latérale ionisable (par exemple alanine, glycine), le pI est la moyenne arithmétique du pKa du groupe carboxyle et du pKa du groupe amine : pI = (pKa + pKb) / 2. Pour les acides aminés ayant une chaîne latérale ionisable, la formule varie : pour les résidus acides (aspartate, glutamate), pI = (pK₁ + pKR) / 2 (où pK₁ est le pKa du groupe carboxyle alpha) ; pour les résidus basiques (lysine, arginine), pI = (pK₂ + pKR) / 2 (où pK₂ est le pKa du groupe amine alpha) ; l'histidine, résidu particulier, suit pI = (pK₁ + pKR) / 2 car son chaîne latérale imidazole est faiblement basique.

Une courbe de titration d'un acide aminé est un graphe montrant l'évolution de la charge nette en fonction du pH. À très bas pH (pH < 1), l'acide aminé est entièrement protoné et porte une charge +1 (forme COOH/NH₃⁺). En augmentant le pH, le groupe carboxyle se déprorte en premier (au voisinage de son pKa ≈ 2), donnant une charge transitoire proche de 0. Continuant à augmenter le pH jusqu'au pI, l'acide aminé atteint sa charge nette zéro. Au-delà du pI et jusqu'au pKa du groupe amine (≈ 9,4), le groupe amine commence à se déprotoner ; la charge devient graduellement négative. À très haut pH (pH > 11), l'acide aminé porte une charge −1 (forme COO⁻/NH₂).

Pour prédire la charge nette d'un acide aminé à un pH donné, on applique la règle simple : si pH < pKa, le groupe est protoné ; si pH > pKa, le groupe est déprotoné. Par exemple, pour l'alanine (pI ≈ 6) à pH 4 : le groupe carboxyle (pKa ≈ 2,3) est déprotoné (pH > pKa) donc contribue −1 ; le groupe amine (pKa ≈ 9,5) est protoné (pH < pKa) donc contribue +1 ; charge nette = 0. À pH 3, même calcul mais maintenant le groupe carboxyle est partiellement déprotoné (pH près du pKa) ; la charge nette devient légèrement positive. À pH 10, le groupe carboxyle est déprotoné (−1) et le groupe amine est partiellement déprotoné, donnant une charge nette légèrement négative.

L'alanine (Ala, code A) est un acide aminé simple sans chaîne latérale ionisable. Ses pKa sont : pK₁ (COOH) ≈ 2,3, pK₂ (NH₃⁺) ≈ 9,5. Son pI = (2,3 + 9,5) / 2 ≈ 5,9. À pH 2,3 (son pKa₁), l'alanine existe à 50 % en forme COOH/NH₃⁺ (+1) et 50 % en forme COO⁻/NH₃⁺ (0). À pH 5,9 (son pI), elle existe entièrement sous forme COO⁻/NH₃⁺ (charge nette 0, zwitterion). À pH 9,5 (son pKa₂), elle existe à 50 % en forme COO⁻/NH₃⁺ (0) et 50 % en forme COO⁻/NH₂ (−1).

Le glutamate (Glu, code E) est un acide aminé avec une chaîne latérale carboxylique ionisable. Ses pKa sont : pK₁ ≈ 2,2 (COOH alpha), pKR ≈ 4,3 (COOH de la chaîne latérale), pK₂ ≈ 9,7 (NH₃⁺). À très bas pH, les trois groupes sont protonés, charge +1. En montant à pH 2,2, le groupe carboxyle alpha se déprorte : charge devient 0. En continuant à pH 4,3, la chaîne latérale se déprorte : charge devient −1. Pour ce résidu, le pI se calcule avec le groupe carboxyle et la chaîne latérale : pI = (pK₁ + pKR) / 2 = (2,2 + 4,3) / 2 ≈ 3,25. À pH 3,25, le glutamate porte une charge nette zéro (zwitterion particulier où deux carboxyles contribuent −1 et l'amine +1). À pH 7 (physiologique), le glutamate porte une charge −1 car les deux carboxyles (pKa 2,2 et 4,3) sont tous deux déprotonés.

Outre les 20 acides aminés standards incorporés dans les protéines, il existe des acides aminés non standard qui peuvent être des dérivés d'acides aminés standards ou des molécules ayant des rôles spécifiques dans le métabolisme. Ces molécules sont essentielles pour diverses fonctions biologiques et peuvent être classées selon leur origine ou leur rôle.

Certains acides aminés sont modifiés après leur incorporation dans une protéine par des processus post-traductionnels. Ces modifications sont cruciales pour la structure, la stabilité et la fonction des protéines. Parmi les dérivés courants, on trouve la 4-hydroxyproline et la 5-hydroxylysine, importantes dans la formation du collagène. Le carboxyglutamate est essentiel pour la coagulation sanguine, tandis que la N-méthylarginine joue un rôle dans la régulation de l'expression génique.

La sélénocystéine et la pyrolysine sont également des acides aminés non standard mais sont incorporées directement lors de la traduction, ce qui les distingue des dérivés post-traductionnels. La sélénocystéine est formée à partir de la sérine et est encodée par le codon UGA, normalement un codon stop. La pyrolysine, quant à elle, est trouvée chez les bactéries méthanogènes et est encodée par le codon UAG.

Certains acides aminés ne sont pas incorporés dans les protéines mais jouent des rôles cruciaux dans le métabolisme. L'ornithine et la citrulline sont deux exemples clés, agissant comme intermédiaires dans le cycle de l'urée. Ce cycle est vital pour l'élimination de l'ammoniac toxique produit par le catabolisme des protéines, le convertissant en urée, une forme moins toxique excrétée par l'organisme.

En dehors des protéines, les dérivés d'acides aminés agissent comme neurotransmetteurs, médiateurs de réactions allergiques, hormones ou coenzymes. Par exemple, l'acide gamma-aminobutyrique (GABA) est un neurotransmetteur inhibiteur majeur dans le système nerveux central. La dopamine, un autre dérivé, est un neurotransmetteur important impliqué dans la récompense et le mouvement. L'histamine est un médiateur de réponses inflammatoires et allergiques, tandis que la thyroxine est une hormone thyroïdienne dérivée de la tyrosine.

La formation d'un peptide résulte de la création d'une liaison peptidique entre deux acides aminés. Cette liaison est une liaison amide particulière qui s'établit par une réaction de condensation. Elle implique le groupe α-carboxyle de l'un et le groupe α-aminé de l'autre, avec l'élimination d'une molécule d'eau.

La liaison peptidique est caractérisée par un effet mésomère, où les électrons sont délocalisés entre les atomes d'oxygène, de carbone et d'azote. Ceci lui confère un caractère d'hybride de résonance entre une forme simple et une forme double liaison. En conséquence, la liaison peptidique possède trois propriétés fondamentales : elle est rigide, plane et polaire.

La rigidité et la planéité de la liaison peptidique limitent les possibilités de rotation et imposent des contraintes structurales importantes à la chaîne polypeptidique. L'angle de torsion autour de la liaison C-N du groupe amide, appelé angle Ω (Omega), peut prendre deux valeurs : $0^{\circ}$ (cis) ou $180^{\circ}$ (trans). La configuration trans est presque toujours préférée car elle est plus stable, minimisant les répulsions stériques entre les groupes latéraux des acides aminés.

Malgré la rigidité de la liaison peptidique, la chaîne polypeptidique conserve une certaine flexibilité grâce à deux autres angles de rotation. L'angle Φ (Phi) correspond à la rotation autour de la liaison entre le carbone alpha (Cα) et l'azote amidique, tandis que l'angle Ψ (Psi) concerne la rotation autour de la liaison entre le Cα et le carbone du groupe carbonyle. Ces deux angles sont cruciaux pour déterminer la conformation spatiale des protéines.

Toute chaîne polypeptidique est orientée. Elle commence par l'acide aminé possédant une fonction amine libre, désignée comme l'extrémité N-terminale. Elle se termine par l'acide aminé ayant une fonction acide carboxylique libre, appelée l'extrémité C-terminale. Cette orientation est fondamentale pour la nomenclature et la fonction des peptides et protéines.

Les peptides sont des molécules formées par l'enchaînement d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. Leur classification dépend du nombre d'acides aminés qui les composent. Un dipeptide contient deux acides aminés, un tripeptide en contient trois. Au-delà, on parle d'oligopeptide pour environ 4 à 10 acides aminés.

Le terme polypeptide est généralement utilisé pour des chaînes de plus de 10 acides aminés, allant jusqu'à une cinquantaine, et dont la masse est inférieure à environ 10 kDa. Au-delà d'une cinquantaine d'acides aminés, on parle de protéine, bien que cette limite soit parfois floue et que le terme polypeptide puisse désigner des protéines plus grandes. Les protéines sont des macromolécules complexes aux structures tridimensionnelles variées.

Les peptides et protéines héritent certaines propriétés de leurs acides aminés constitutifs, comme leur caractère amphotère et la présence d'un point isoélectrique (pI). La charge nette d'un polypeptide et son pI dépendent des pKa des groupes ionisables des chaînes latérales des acides aminés qui le composent, ainsi que des groupes N-terminal et C-terminal libres. Les polypeptides contenant des acides aminés aromatiques (Trp, Tyr, Phe) absorbent la lumière en UV à 280 nm, permettant leur dosage.

En plus de ces propriétés, les chaînes polypeptidiques possèdent des caractéristiques spécifiques. La liaison peptidique elle-même absorbe la lumière dans l'UV entre 210 et 220 nm, ce qui est utilisé pour caractériser la présence de protéines. Une autre propriété spécifique est la réaction du Biuret : en milieu alcalin, le cuivre (CuSO4) forme un complexe violet avec les liaisons peptidiques, détectable à 535 nm, et sert également au dosage des protéines.

De nombreux peptides jouent des rôles biologiques cruciaux. Le glutathion (γ-glutamyl cysteinyl glycocolle) est un tripeptide impliqué dans la détoxification et la protection contre le stress oxydatif, se distinguant par une liaison peptidique atypique via la fonction γ-carboxylique du glutamate. La TRH (Thyrotropin-Releasing Hormone) est un tripeptide (pyroglutamyl histidylprolinamide) régulant la fonction thyroïdienne.

L'ocytocine et la vasopressine sont des nonapeptides cycliques qui agissent comme hormones, régulant respectivement les contractions utérines et l'excrétion rénale d'eau. Il existe aussi des peptides antibiotiques comme la gramicidine S et les défensines, qui combattent les infections. La ciclosporine est un peptide immunosuppresseur utilisé en transplantation. Enfin, l'insuline, une hormone pancréatique, est un polypeptides de 51 acides aminés régulant la glycémie.