Acides aminés: structure, classification, chiralité, rôle, polarité, ionisation

Les Acides Aminés

Les acides aminés (AA) sont des molécules amphotères possédant un groupement carboxyle acide et une fonction amine primaire basique (sauf la proline, qui a une amine secondaire).

I. Définition et Structure

• À pH physiologique (7,35-7,45) :
  • La fonction carboxyle est déprotonée (charge négative).
  • La fonction amine est protonée (charge positive) grâce au doublet non liant de l'azote, qui s'hybride en sp3 avec le carbone alpha.
• Ces deux fonctions sont liées à un carbone alpha, lui-même lié à un hydrogène et à une chaîne latérale (R).
• Pour tous les AA sauf la glycine (où R = H), la chaîne latérale n'est pas un hydrogène, rendant le carbone alpha asymétrique.
• Les propriétés physico-chimiques des AA sont déterminées par la chaîne latérale (R).

Théorie de Brönsted-Lowry

• Un acide libère un proton H+.
• Une base capte un proton H+.
• Un couple acide-base est formé : AH ↔ A- + H+.
• Plus l'acide est fort, plus sa base conjuguée est faible, et inversement.

II. Classification des Acides Aminés

• AA protéinogènes standards : 20 AA, composants de toutes les protéines.
  • Exemples : Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Méthionine, Proline, Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane, Sérine, Thréonine, Cystéine, Asparagine, Glutamine, Arginine, Lysine, Histidine, Aspartate, Glutamate.
• AA protéinogènes non standards : 2 AA.
  • Sélénocystéine : analogue de la cystéine (sélénium au lieu de soufre), présente dans certaines enzymes mitochondriales (oxydo-réduction).
  • Pyrrolysine : présente dans certaines bactéries.
• AA non protéinogènes : 2 AA.
  • Ornithine et Citrulline : ne composent pas les protéines mais ont des rôles importants à l'état libre (cycle de l'urée, synthèse de monoxyde d'azote, polyamines).

III. Chiralité des Acides Aminés

• Une molécule a un carbone asymétrique (centre chiral) si ce carbone est lié à quatre substituants différents. L'isomère est alors une image spéculaire non superposable.
• Les carbones alpha des AA (sauf la glycine) sont des centres chiraux.
• La chiralité est cruciale car les enzymes n'agissent souvent que sur un seul énantiomère (L ou D).
  • Exemples : la lactate déshydrogénase n'agit que sur le L-lactate.
• Notation de Fischer pour classer les AA en séries D ou L :
  • On place le groupement carboxyle (COO-) en haut.
  • Si le groupement amine (NH3+) est à gauche, c'est un L-AA.
  • Si le groupement amine (NH3+) est à droite, c'est un D-AA.
• Tous les AA protéinogènes (sauf la glycine, non chirale) sont de configuration L.

IV. Rôle des Acides Aminés

a. Rôle Structurel

• Unités élémentaires des protéines (pour les 22 AA protéinogènes).
• Composants de structures non protéiques :
  • Éthanolamine (dérivé de la sérine) : tête polaire de certains phospholipides.
  • Hème (dérivé de la glycine) : groupe prosthétique de l'hémoglobine.

b. Rôle Métabolique

• Participation au métabolisme azoté :
  • Glutamine et Alanine : transport de l'azote.
  • Ornithine et Citrulline : élimination de l'azote sous forme d'urée.
• Participation au métabolisme énergétique :
  • Glutamate ou Aspartate : réactions intermédiaires du cycle de Krebs.
  • AA glucoformateurs : néoglucogenèse.

c. Médiateurs Chimiques et Neurotransmetteurs

• Aspartate et Glutamate : principaux neurotransmetteurs excitateurs du SNC.
• Acide gamma-aminobutyrique (GABA) : dérivé du glutamate, neuromédiateur inhibiteur du SNC.
• Glycine : neuromédiateur inhibiteur de la moelle épinière (transmission du signal douloureux).
• Amines biogènes : formées par décarboxylation des AA.

V. Classification selon l'Essentialité et la Polarité

A) AA Essentiels, Non Essentiels ou Conditionnellement Essentiels

• AA essentiels : non synthétisables par l'homme, doivent être apportés par l'alimentation.
  • Leucine, Thréonine, Lysine, Tryptophane, Phénylalanine, Valine, Méthionine, Isoleucine.
  • Moyen mnémotechnique : Leu Thré Lyrique Trystan Phé Vachement Marcher Iseult.
• AA non essentiels : synthétisables par l'organisme.
  • Glycine, Alanine, Proline, Sérine, Asparagine, Aspartate, Glutamate.
• AA conditionnellement essentiels : synthétisés en quantité insuffisante (ex: croissance, grossesse).
  • Tyrosine, Cystéine, Glutamine, Arginine, Histidine.

B) Polarité des Chaînes Latérales

• Une liaison est polaire s'il y a un déséquilibre dans le nuage électronique des groupes fonctionnels de la chaîne latérale.
• En solution et à pH physiologique (environ 7,4), tous les AA sont polaires en raison de leurs groupes amine et carboxyle chargés.
• La polarité des résidus aminoacyles (AA engagés dans une liaison peptidique) dépend de la polarité de leur chaîne latérale.

Moyens mnémotechniques pour la polarité des chaînes latérales :

• AA R polaire neutre : Glenn Cisaille, Théo Certifie : c’est l’Assassin (Glutamine, Cystéine, Thréonine, Sérine, Asparagine).
• AA R polaire basique : L’Histoire c’est de l’Argent et des Lys (Histidine, Arginine, Lysine).

VI. Ionisation et Charges des Acides Aminés

Les propriétés acido-basiques des AA sont cruciales pour leur ionisation et leur charge.

• pKc : pH de demi-dissociation du groupe carboxyle (R-COOH ↔ R-COO- + H+).
• pKn : pH de demi-dissociation du groupe amine (R-NH3+ ↔ R-NH2 + H+).
• Point isoélectrique (pHi) : pH où la charge nette de l'AA est nulle. L'AA est alors un zwittérion.
• pKR : pH de demi-dissociation de la chaîne latérale (pour les AA acides ou basiques).

Courbes de Titrage des AA

Ces courbes sont obtenues en ajoutant une base forte (ex: soude) à une solution acide d'AA et en mesurant le pH.

Les AA ne donnent jamais une droite car ils possèdent au moins une fonction acide et une fonction basique, plus les fonctions des chaînes latérales.

Exemple : Courbe de dissociation de la Glycine (AA apolaire)

1. pH très acide : Glycine complètement protonée. COOH (neutre) et NH3+ (charge +1). Charge totale = +1.
2. Au pKc (2,34) : 50% des groupes COOH sont déprotonés (COO-). Charge nette = +0,5. Coexistence de la forme protonée et du zwittérion.
3. Au pHi (5,97) : Forme zwittérion prédominante. COOH déprotoné (COO-, charge -1) et NH3+ protoné (charge +1). Charge nette = 0.
4. Au pKn (9,60) : 50% des groupes NH3+ sont déprotonés (NH2). Charge nette = -0,5. Coexistence du zwittérion et de la forme déprotonée.
5. pH très basique : Glycine complètement déprotonée. NH2 (neutre) et COO- (charge -1). Charge totale = -1.

Le raisonnement est valable pour tous les AA à chaîne latérale non chargée en solution. Dans les protéines, les résidus aminoacyles n'apportent pas de charge sauf aux extrémités amino (NH3+) ou carboxyle (COO-).

Exemple : Courbe de dissociation du Glutamate (AA polaire chargé négativement)

1. pH très acide : Glutamate complètement protoné. Deux COOH (neutres) et NH3+ (charge +1). Charge totale = +1.
2. Au pKc (2,19) : 50% du COOH lié au carbone alpha déprotoné. Charge nette = +0,5.
3. Au pHi (3,22) : Forme zwittérion prédominante. Carboxyle alpha déprotoné (COO-), carboxyle de la chaîne latérale protoné (COOH), amine protonée (NH3+). Charge nette = 0.
4. Au pKR (4,25) : 50% du COOH de la chaîne latérale déprotoné. Charge nette = -0,5.
5. Entre pKR et pKn : Deux carboxyles déprotonés (COO-), amine protonée (NH3+). Charge nette = -1.
6. Au pKn (9,67) : 50% du NH3+ déprotoné. Charge nette = -1,5.
7. pH très basique : Glutamate complètement déprotoné. Deux COO- (charge -2) et NH2 (neutre). Charge totale = -2.

Exemple : Courbe de dissociation de la Lysine (AA polaire chargé positivement)

1. pH très acide : Lysine complètement protonée. COOH (neutre), deux NH3+ (charge +2). Charge totale = +2.
2. Au pKc (1,82) : 50% du COOH déprotoné. Charge nette = +1,5.
3. Entre pKc et pKn : Carboxyle déprotoné (COO-), deux NH3+ protonés. Charge nette = +1.
4. Au pKn (8,95) : 50% du NH3+ lié au carbone alpha déprotoné. Charge nette = +0,5.
5. Au pHi (9,74) : Forme zwittérion prédominante. Carboxyle déprotoné (COO-), amine alpha déprotonée (NH2), amine latérale protonée (NH3+). Charge nette = 0.
6. Au pKR (10,53) : 50% du NH3+ de la chaîne latérale déprotoné. Charge nette = -0,5.
7. pH très basique : Lysine complètement déprotonée. COO- (charge -1), deux NH2 (neutres). Charge totale = -1.

• Calcul de la charge nette : Moyenne des charges nettes des deux stades environnants.
• Calcul du pHi : Moyenne des pH des deux stades environnant le zwittérion.