Acides aminés Sébastien Violot PDF

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Introduction

Eléments de base des biomolécules Le carbone (C) : Forme le squelette. Il possède 4 liaisons de valence (tétraèdre). Il est souvent rattaché à 4 substituants différents, dans ce cas c’est un carbone asymétrique. Cela implique que 2 molécules peuvent être énantiomères. L’hydrogène (H) : 1 liaison de valence. Aussi rencontré sous forme de proton H+. Notion de Ph. L’azote (N) : 3 ou 4 liaisons de valence. Un doublet d’électrons non liant ne peut pas former normalement de liaisons. Formation d’hétérocycle (purine ou pyrimidine) Les Amines : Formule générale : R-NH2 Trois classes (attention : différent des alcools) : 1. Amine primaire : R-NH2 2. Amine secondaire : R1-NH2-R2 3. Amine tertiaire : R3-N-R1 | R2 4. Amine quaternaire : R3-N-R1 | R 2 R4 Liaison polarisée en faveur de l’azote (effet inductif attracteur). Nomenclature : suffixe -amine ou préfixe amino-. Basicité : dans l’eau les amines sont des bases faibles (captent un proton H+) L’oxygène (O) : 2 liaisons de valence (soit 2 liaisons simples, soit 1 liaison double) Il est impliqué dans différentes réactivités chimiques et peuvent être l’objet de différents groupements chimiques. -O-H : groupement hydroxyle C=O : groupement carbonyle (cétone ou aldéhyde) -C=O : groupement carboxyle (acide carboxylique) O-H Alcools Formule générale : R-OH Trois classes : 1. Alcool primaire : R-CH2-OH (OH en bout de chaîne) 2. Alcool secondaire : R-CHOH-R’ 3. Alcool tertiaire Acide carboxylique Composés carboxylés : un carbone lié à 2 atomes d’oxygène (une simple liaison et une double liaison) Formule générale : R-COOH R-C=O O-H Nomenclature : acide au début du nom suivi du suffixe -oïque Acidité : en solution dans l’eau, l’acide se dissocie partiellement pour donner des ions carboxylate R-COO- (départ d’un proton H+) Mésomérie (formes de résonance) Dérivés : nombreux, par exemple les esters et les amides R-C=O R--C=O | | O-R’ N--R’ | R’ Ester amide

Le Phosphore (P) : le phosphore n’est pas un atome rentrant dans la constitution des acides aminés. Parfois, il peut intervenir dans la modification des protéines. Dérivés de l’acide phosphorique Liaison anhydride phosphorique riche en énergie : ATP + 2H2O  AMP + PPi + H3O+ Le Souffre (S) : divalent (comme l’oxygène). On ne le retrouve chez 2 acides aminés : la méthionine et la cystéine Cas similaire à l’oxygène (même groupe (16) de la classification périodique des éléments) -S-H : groupement sulfhydride Présent dans des co-enzymes R-SH + R’-COOH H2O + R-S-CO-R’ (thioester)  réaction de transfert d’acide  Pont disulfure Remarque : dans les protéines, les groupements thiols vont former des ponts disulfures Notion de polarité : important pour les acides aminés et les protéines La polarité est impliquée dans la solubilité des molécules : la plupart des molécules du vivant (acides aminés, sucre, protéines, mais pas lipides) sont solubles dans l’eau. Cela signifie qu’on a des interactions avec l’eau. Ces interactions s’appellent des liaisons hydrogène. Donc, comme les acides aminés et les protéines sont solubles, elles forment des liaisons H avec l’eau. Pour former une liaison hydrogène, il faut 2 atomes électronégatifs et un atome électropositif (l’hydrogène). Quand un atome électronégatif est lié de manière covalente à un atome électropositif (l’hydrogène), il attire vers lui les électrons de valence  on a donc une charge partielle delta+ sur l’atome électronégatif et une charge partielle delta+ sur l’atome électropositif. Donc, si on a une charge delta+ et delta- on a donc un pôle + et un pôle -, on a donc formation d’un dipôle. Si on a un autre atome électronégatif chargé delta-, ce dernier pourra interagir avec le delta+ du dipôle.

Partie I : Les acides aminés I – Introduction Les acides aminés sont une classe de composés chimiques possédant 2 groupes fonctionnels : à la fois un groupe carboxyle -COOH et un groupe amine -NH2 Parmi ceux-ci, les acides α-aminés se définissent sur le fait que leur groupe amine est lié à l’atome de carbone adjacent au groupe acide carboxylique (le carbone α), ce qui leur confère la structure générique suivante : Les acides α-aminés jouent un rôle fondamental en biochimie comme constituants élémentaires des protéines : ils polymérisent en formant des liaisons peptidiques qui aboutissent à de longues chaînes macromoléculaires appelées peptides.

II – Les acides aminés courants Les acides aminés sont des éléments de base des protéines construites à partir d’un répertoire de 20 acides aminés. On connaît au moins 150 acides aminés différents mais seuls 20 acides aminés rentrent dans la constitution des protéines. Les acides aminés sont à la source de la diversité des séquences des protéines, et par conséquent, de leur forme, et donc de leur fonction.  Notion de relation structure/fonction Chaque acide aminé possède : Un groupement amine primaire porté par le carbone α Un groupement acide carboxylique porté par le carbone α Une chaîne latérale R dont la nature différencie les AA entre eux NH2-CH-COOH | R Ils diffèrent tous entre eux par la nature chimique du radical R qui constitue la chaîne latérale ou chaîne radicalaire. La masse moléculaire moyenne d’un AA est de 110 Da (110 g.mol-1) La glycine (75 Da) est le plus petit des AA, le tryptophane (204 Da) est le plus gros. Les AA ont des propriétés acido-basiques particulières car ils possèdent à la fois un groupe acide et un groupe basique : les AA possèdent donc au moins deux groupements dissociables (ionisables). Les AA se comportent donc à la fois comme des bases et comme des acides : ils acceptent ou donnent un ou plusieurs protons en fonction du pH du milieu dans lequel ils se trouvent. On dit qu’ils sont amphotères. La fore prédominante des AA en solution aux pH physiologiques (autour de pH 7) est l’ion dipolaire. NH3+-CH-COO| R

 NH2-CH-COOH  | R

Un acide : donneur de proton Base : accepteur de proton Acide  Base + H+ L’espèce formée par l’ionisation d’un acide est sa base conjuguée. Inversement, la protonation d’une base donne son acide conjugué.

pH acide Nom Code à 3 lettres Code à 1 lettre

pH basique Alanine Ala A

NH3+-CH-COO| R La chaîne latérale R est variable : - Taille (longueur, encombrement) - Charge (positive, négative, non chargée) - Polarité (capacité à établir des liaisons hydrogène) - Hydrophobicité - Réactivité chimique La glycine (glycocolle) 1° Glycine, Gly, G (acide amino-acétique) Seul AA qui ne possède pas de carbone asymétrique Radical non polaire, hydrophobe 75,07 Da NH3+-CH-COO| H

Les acides aminés aliphatiques 2° Alanine, Ala, A Il possède un groupement méthyle Radical non polaire, hydrophobe 89,09 Da NH3+-C*H-COO| CH3 Les acides α-aminés naturels sont de série L 3° Valine, Val, V Acide aminé essentiel Il possède un groupement isopropyle Radical, non polaire, hydrophobe 117,15 Da NH3+-C*H-COO| CH CH3

CH3

4° Leucine, Leu, L Acide aminé essentiel Il possède un groupement isobutyle Radical, non polaire, hydrophobe 131,17 Da NH3+-CH-COO| CH2 | CH CH3

CH3

5° Isoleucine, Ile, I Acide aminé essentiel Il possède un groupement butyle secondaire Il possède 2 carbones asymétriques Radical non polaire, hydrophobe 131,17 Da NH3+-C*H-COO| CH CH3

CH2 | CH3

Les acides aminés hydroxylés 6° Sérine, Ser, S Il possède une fonction alcool primaire Radical polaire, hydrophile 105,09 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | OH 7° Thréonine, Thr, T Acide aminé essentiel Il possède une fonction alcool secondaire Il possède 2 carbones asymétriques Radical polaire, hydrophile 119,12 Da NH3+-C*H-COO| C*H CH3

OH

Les acides aminés contenant du soufre 8° Cystéine, Cys, C Il possède une fonction thiol Radical (peu) polaire, hydrophile Faiblement acide (pKa = 8,2) 121,16 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | SH Particularités : 2 cystéines peuvent se dimériser par duplication oxydative avec perte de deux hydrogènes pour donner la cystine (dimère de cystéine). Le pont disulfure qui relie deux cystéines est une liaison covalente. La formation d’un pont disulfure se fait grâce à une réaction d’oxydoréduction. 9° Méthionine, Met, M Acide aminé essentiel Il possède une fonction thioether Cet AA est très souvent le premier AA (côté Nterminal) que l’on trouve dans la séquence primaire des protéines Radical non polaire, hydrophobe 149,21 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | CH2 | S | CH3

Les diacides aminés 10° Acide aspartique, Asp, D Il possède une seconde fonction acide carboxylique Radical polaire, chargé (à pH physiologique) 133,10 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | COO11° Acide glutamique, Glu, E Il possède une seconde fonction acide carboxylique Radical polaire, chargé (à pH physiologiques) 133,10 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | CH2 | COOLes dérivés amidés des deux diacides 12° Asparagine, Asn, N L’addition d’un ammoniac, NH3, sur la fonction COOH de la chaîne latérale, forme une fonction amide (non ionisable) Radical polaire, hydrophile 132,12 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | CO-NH2 13° Glutamine, Gln, Q AA le plus abondant dans l’organisme L’addition d’un ammoniac, NH3, sur la fonction COOH de la chaîne latérale, forme une fonction amide (non ionisable) Radical polaire, hydrophile 146,15 Da NH3+-C*H-COO| CH2 | CH2 | CO-NH2

Les acides aminés basiques 14° Lysine, Lys, K Acide aminé essentiel Il possède une fonction amine supplémentaire Radical polaire, chargé (à pH physiologique) 146,19 Da NH3+-C*H-COO| (CH2)4 | NH3+ 15° Arginine, Arg, R La chaîne latérale porte un groupement guanidyl HN-C(=NH)-NH2 Radical polaire, chargé (à pH physiologique) 174,20 Da NH3+-C*H-COO| (CH2)4 | NH | C NH2+

NH2

16° Histidine, His, H Acide aminé essentiel Il possède un cycle imidazole dont l’un des azotes peut fixer un proton. C’est un AA cyclique, mais pas aromatique Radical polaire, chargé (à pH physiologique) 155,16 Da

Les acides aminés à noyau aromatique 17° Phénylalanine, Phe, F Acide aminé essentiel La chaîne latérale possède un groupement phényle (benzénique) Radical non polaire, hydrophobe AA absorbant dans l’UV à 257 nm 165,19 Da

18° Tyrosine, Tyr, Y La chaîne latérale possède un groupement phénol (noyau benzénique substitué par un OH) Radical polaire, hydrophile, très faiblement acide (pKa = 10) AA absorbant dans l’UV à 275 nm (phénolate n’absorbe pas)

19° Tryptophane, Trp, W Acide aminé essentiel La chaîne latérale possède un noyau benzène sur lequel est accolé un noyau pyrrole. Ce double cycle se nomme : indole Radical non polaire, hydrophobe AA absorbant dans l’UV à 280 nm 204,23 Da

Un acide aminé à azote intracyclique. 20° Proline, Pro, P La chaîne latérale de la proline est liée à l’azote porté par le carbone a. le carbone a est donc inclus dans un cycle La fonction amine est une fonction amine secondaire. Radical non polaire, hydrophobe Sa nature cyclique confère à la proline des propriétés structurales et chimiques différentes des autres AA (introduit des coudes dans la chaîne peptidique) 115,13 Da

Classification des acides aminés : - AA à chaîne latérale non polaires et hydrophobes : Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp - AA à chaîne latérale polaires et hydrophiles : Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr - AA à chaîne latérale polaires, hydrophiles et acides : Asp, Glu - AA à chaîne latérale polaires, hydrophiles et basiques : Arg, Lys, His Parmi les AA dont la chaîne latérale est polaire et hydrophile, 7 ont la capacité de se charger : - Les 2 acides : Asp, Glu - Les 3 basiques : Lys, Arg, His - La tyrosine Tyr - La cystéine Cys Les chaînes latérales de ces AA ne sont pas toujours chargées, elles le sont en fonction de leur pKa et du pH du milieu. Appli : Aminocraft

III – Les acides aminés rares Ils ne possèdent pas forcément de codes à 3 lettres ou de code à 1 lettre. L’allo-isoleucine, l’allo-thréonine et l’ornithine ne sont pas codés par le code génétique et à ce titre n’entrent pas dans la composition des protéines. Contrairement à la plupart des acides aminés rares, la sélénocystéine et la pyrrolysine sont incorporées directement lors de la synthèse de la chaîne polypeptidique par le ribosome. Il s’agit d’un processus complexe, car il n’existe pas à proprement parler de codon spécifique pour ces acides aminés. Ainsi, dans l’ARN messager, à la position correspondant à la sélénocystéine ou à la pyrrolysine dans la protéine, on trouve respectivement un codon UGA et un codon UAG (normalement des codon-STOP).

IV – Propriétés acido-basiques des acides aminés Ionisation/dissociation des acides aminés Les AA ont des propriétés acido-basiques particulières car ils possèdent à la fois un groupe acide et un groupe basique : les AA possèdent doc au moins deux groupements dissociables. Les AA se comportent à la fois comme des bases et comme des acides : ils acceptent ou donnent un ou plusieurs protons en fonction du pH du milieu dans lequel ils se trouvent : ils sont amphotères. Les AA se dissocient de manière Le pH pour lequel les fonctions NH2 et COOH sont entièrement ionisées sous forme -NH3+ et -COO- et donc pour lequel la somme des charges est nulle est appelé point isoionique de l’AA = pI ou point isolélectrique de l’AA = pHi Les fonctions ionisables des acides aminés sont d’autant plus protonées que le milieu est riche en protons, c’est-à-dire que le pH est faible (et vice-versa) Point isolélectrique (pI ou pHi) : valeur du pH de la solution pour laquelle la charge totale nette moyenne de l’acide aminé est nulle (forme zwitterionique) A un pH < pHi la charge nette de l’acide aminé est positive A un pH > pHi la charge nette de l’acide aminé est négative On peut suivre l’état d’ionisation d’un acide aminé en fonction du pH :

Acides aminés ayant une chaîne latérale non ionisable 2 fonctions ionisables (COOH et NH3+) 2 équilibres de dissociation caractérisés par 2 valeurs de pKa 3 formes ioniques

Notion de pH Le pH définit par la relation : pH = - log [H3O+] Autoprotolyse de l’eau : H2O + H2O -> H3O+ +OHLa constante d’équilibre s’écrit Ke = [OH-][H+] / 1 = [OH-][H+] = 10-14 à 25°C Pour l’eau pure [OH-] = [H+] = 10-7 mol.L-1, le pH vaut donc 7. Remarque : H3O+ : ion hydronium et OH- : anion hydroxyde Définition de la constante d’acidité : Dans le cas des acides faibles, on peut définir une constante d’équilibre de dissociation de l’acide ou constante d’acidité : AH + H2O -> A- + H3O+ Elle est notée Ka et s’écrit : Ka = [A-].[H+]/[AH] Définition du pKa A partir du Ka on définit le pKa qui s’écrit pKa = - log Ka On utilise généralement le pKa plutôt que le Ka pour déterminer la force d’un acide. Plus l’acide est fort, plus le pKa est petit et inversement. L’équation de la constante d’acidité peut être dérivée ainsi : - log [Ka] = - log [H+] – log [A-]/[AH]  pKa = pH – log [A-]/[AH] D’où la définition du pH en fonction du pKa : pH = pKa + log [A-]/[AH] (equation d’Hender) Etat d’ionisation d’un acide aminé en fonction du pH

Valeur du pHi Pour les AA dont la chaîne latérale n’est pas dissociable, la valeur du pHi est égale à la demi somme des deux pKa des deux fonctions acide et basique de l’AA : Ex : la glycine pKaCOOH = 2,3 et pKaNH2 = 9,6 => pHi = (2,3 + 9,6)/2 = 5,95

Acides aminés ayant une chaîne latérale ionisable 3 fonctions ionisables (COOH, NH3+ et fonction ionisable de la chaîne latérale) 3 équilibres de dissociation caractérisés par 3 valeurs de pKa 4 formes ioniques

7 acides aminés ont des chaînes latérales ionisables : Groupement carboxyle : acide aspartique ; acide glutamique Groupement amine : Lysine (pKa = 10,5) Groupement guanidyle : Arginine

Noyau imidazole : Histidine

Groupement thiol : Cystéine

Groupement phénol : Tyrosine

Lorsqu’un AA porte une fonction ionisable au niveau de sa chaîne latérale, il possède un pKa (pKaR) de plus. Ex : acide aspartique et lysine On peut suivre l’état d’ionisation d’un AA en fonction du pH Ex : Asp possédant une chaîne latérale dissociable acide (pKa 1,0 ; 3,65 et 9,6)

V – Propriétés structurales des acides aminés A – Chiralité Un carbone qui porte 4 groupements différents est un centre asymétrique ou centre chiral. N C*  2n stéréoisomère et 2n-1 A l’exception de la glycine, les acides aminés ont tous au moins un C* (le Cα), l’isoleucine et la thréonine possédant 2 carbones asymétriques. Tous les acides aminés naturels appartiennent à la série L (« Chef de file » : L-glycéraldéhyde ou acide L-lactique) en configuration de Fischer. Projection de Fischer : - Chaîne carbonée sur l’axe vertical - Groupement le plus oxydé au sommet de l’axe vertical - Axe vertical en arrière du plan - Axe horizontal en avant du plan

Configuration absolue R/S et D/L Les acides aminés existent sous la forme de deux énantiomères, appelés D et L, selon le groupe (-NH2) se trouve respectivement à droite (D) ou à gauche (L) dans la projection de Fischer, la fonction acide étant figurée en haut de la figure. 1.L'azote de la fonction amine (–NH2). 2.Le carbone de la fonction acide (–COOH). 3.Le carbone du radical R(variable), si ce carbone ne porte pas un atome de numéro atomique supérieur à celui de l'oxygène. 4.L’hydrogène. Les acides aminés L naturels ont donc le plus souvent une configuration absolue S tandis que les D sont R. Les acides aminés des protéines appartiennent à la série L Les acides aminés de la série D sont présents dans : - Les protéines de la paroi bactérienne - Des antibiotiques peptidiques Cette particularité augmente la résistance de ces peptides à la dégradation par des enzymes protéolytiques qui agissent sur des acides aminés de la série L. B – Absorption Les acides aminés n’absorbent pas la lumière visible, leurs solutions sont incolores. Par contre, les chaînes latérales aromatiques des acides aminés ont des spectres d’absorption caractéristiques dans l’ultraviolet. Ainsi, les noyaux aromatiques de la phénylalanine, de la tyrosine et du tryptophane ont la propriété d’absorber la lumière ultra-violette. La phénylalanine absorbe peu (λmax = 257 nm) L’absorption de la tyrosine dans l’UV (λmax = 257 nm) est dépendante de l’état d’ionisation du phénol et par conséquent du pH (la tyrosine absorbe mais pas l’anion tyrosinate). Le tryptophane est 4 fois plus absorbant que la tyrosine (λmax = 280 nm) L’absorption de la lumière UV à 280 nm est caractéristique des protéines. Cette propriété est utilisée pour le dosage spectrophotométrique des protéines en solution aqueuse. Dosage spectrophotométrique : Principes de la mesure : la spectrophotométrie (spectroscopie) est une méthode analytique quantitative et qualitative qui consiste à mesurer l’absorbance (densité optique) d’une substance en solution. Les mesures quantitatives sont basées sur deux lois physiques : La proportion de lumière absorbée (l) par un échantillon est indépendante de l’intensité de lumière incidente (I0) (lumière monochromatique)

L’absorption de la lumière est proportionnelle au nombre de molécules contenues dans la solution au travers de laquelle passe la lumière : plus la solution est concentrée, plus elle absorbe la lumière C - Hydrophobicité Le caractère hydrophobe ou hydrophile des acides aminés repose sur la possibilité pour leurs atomes d’établir ou non des liaisons hydrogène avec l’eau. La chaîne latérale des acides aminés est + ou – hydrophobe (notion relative) Attribution d’un indice d’hydrophobicité à chaque acide aminé - Isoleucine est le plus hydrophobe (4,5) - Arginine est le plus hydrophile (-4,5)

VI – Techniques d’analyse des acides aminés A – Techniques électrophorétiques Principe : les techniques d’électrophorèse sont basées sur le déplacement de molécules chargées dans un champ électrique. Quand leur charge est négative, les anions (-) se déplacent vers l’anode (+) et les cations (+) vers la cathode (-). L’électrophorèse est un outil puissant pour la séparation des acides aminés et des protéines (mais aussi de l’ADN …) Support d’électrophorèse Les molécules migrent sur un support de nature variable. Pour séparer les acides aminés, le support classique est l’acétate de cellulose. Le support de champ est quant à lui un tampon dont le pH et la concentration permettent aux ions qui le composent de conduire le courant. Dans ce type...