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Acides aminés – peptides - Protéines Chapitre I –Acides aminés

2011-2012 A.M.L

1- Généralités Les acides aminés sont les unités structurales de base des protéines .Les protéines naturelles peuvent renfermer jusqu’à 20 aminoacides différents mais ces acides aminés ne se trouvent pas obligatoirement tous à la fois dans les diverses protéines.( proportion et séquence inscrites génétiquement dans le chromosome). Dans une cellule , les acides aminés peuvent exister à l’état libre ou combinés sous forme de peptides ou de protéines. On subdivise en général les protéines en : Holoprotéines ou plus simplement protéines qui sont composées presque exclusivement d’acides aminés. Hétéroprotéines , quand , à coté en plus des acides aminés , on trouve d’autre substances non protéiniques , l’assemblage de ces substances non protéiniques constitue ce qu’on appelle groupement prosthétique, confère aux protéines une activité biologique ( enzymes , hormones…) 1.1 Définition 1.1.1 Formule générale Un acide aminé est, par définition , un composé renfermant dans sa molécule une fonction amine et une fonction acide Tous les aminoacides rencontrés dans les protéines, à l’exception de la proline, possèdent une fonction carboxylique libre et une fonction amine primaire ( non substituée) , elles sont portées par le carbone α. Chaque amino acide possède une chaine latérale caractéristique R ( Les amino acides naturels sont donc des acides α aminés) Les acides aminés répondent à la formule générale suivante : R-CH-COOH NH2 Remarque : D’autre acides aminés naturels de structure plus variée sont exceptionnels ou absents dans les protéines, mais présents dans d’autres constituants .Ils sont appelés acides aminés rares ou occasionnels ( hydroxylysine diaminopimetique citrulline ornithine et chloramphénicol) 1.1.2 stéréochimie Le carbone α portant généralement 4 substituants différents est asymétrique : tous les acides aminés sont donc actifs sur la lumière polarisée sauf le glycocolle, dans lequel le radical R est simplement un atome d’hydrogène. 1


Structure et propriétés des acides aminés

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Les acides aminés peuvent exister sous la forme de 2 isomères optiques ou énantiomères. On peut utiliser pour les représenter la représentation Conventionnelle de Fischer COOH

COOH

H2N-C-H

H -C- N H 2

R

R

Forme L

Forme D

Série L

Série D

Remarques importantes Tous les acides aminés des organismes animaux et végétaux appartiennent à la Série L On dit que la série L est la série naturelle des acides aminés. L’appartenance à la série ne définit pas le sens du pouvoir rotatoire des amino acides. La grandeur et le sens du pouvoir rotatoire sont variables selon les conditions expérimentales, notamment le PH de la solution (solvant) et la longueur d’onde de la lumière polarisée. Série : fixe. Exemple :

Pouvoir rotatoire : variable L(+) alanine (+1.8°)

D(-) lysine -13.5°

D (-) alanine (-1.8°)

L (+) Lysine +13.5°

-On peut trouver des amino acides de série D dans les parois des bactéries et dans la structure de certains peptides antibiotiques : la gramicidine et l’actinomycine D. -Quelques acides aminés tel que la thréonine et l’isoleucine possèdent deux atomes de carbone asymétriques, ceci amène l’existence de 22=4 diastéréoisoméres 1-2 Classification : Les acides aminés peuvent êtres classés d’après la structure et la complexité de la chaine latérale R . Parmi les différentes classifications possibles, celle qui repose sur la polarité et les possibilités d’ionisation sera maintenue.

2


Structure et propriétés des acides aminés

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A- R est un radical hydrocarboné apolaire (9) Nature R A L I P H A T I Q U E S Thioether Aromatique Hétéro cyclique

Nombre de C

Formule de R

2

H-

3

CH3-

5

CH3

6 6 (six)

CH3 CH3

Nom Glycocolle Ou glycine Alanine

Abréviation 3 lettres

Abréviation une lettre

Gly

G

Ala

A

Val

V

Leu

L

Ile

I

Met

M

Phe

F

Trp

W

Pro

P

Valine CHLeucine

CH-CH2

CH3 CH3-CH2

Isoleucine

2C*

CH-

5

CH3 CH3-S-CH2-CH2-

9

CH2-

11

Méthionine Phénylalanine Tryptophane

CH2N H

Aliphatique cyclique

5*

Proline N

COOH

H Formule entière de la Proline

Le tableau donne la formule complète de la proline

3


Structure et propriétés des acides aminés R est une chaine latérale polaire (11) Nature de R Peu Ionisable Alcool Thiol Amide

Nombre de C

Phénol

Ionisable Acide B A S I Q U E

Formule de R

3

OH CH2-

4 3 4

CH3-CHOHHS-CH2H2NCO-CH2-

5

A.M.L Nom

2C*

H2NCO-CH2-CH2-

Sérine

Abréviation 3 lettres SER

Thréonine Cystéine Asparagine

THR CYS ASN

T C N

Glutamine

GLN

Q

Tyrosine

TYR

Y

S

9

HO

4 5

HOOC-CH2HOOC-CH2-CH2-

Aspartate Glutamate

ASP GLU

D E

6

H2N-CH2-CH2-CH2-CH2(4) NH2 HN=C NH-CH2-CH2-CH2(3) HC C -CH2-

Lysine

LYS

K

Arginine

ARG

R

Histidine

HIS

H

6

6

CH2-

Abréviation une lettre

N

NH CH

Remarque : L’union de 2 molécules de cysteine donne une molécule de cystine.

CYS+CYS

CYS

SH

S

SH

On peut rompre le pont disulfure par 2 techniques soit : O -Par oxydation à l’aide de l’acide performique (OH-C

) à ne pas confondre avec périodique OH

4

CYS S


Structure et propriétés des acides aminés

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-Par réduction en présence du β mercaptoéthanol (HS-CH2-CH2OH) Résultat des réactions voir cours Les AA indiqués en bleu sont des AA aromatiques qui absorbent en U.V. ( 280 nm) 1.3. Les acides aminés indispensables : Ces acides aminés dits essentiels doivent être obligatoirement apportés quotiditionnement par l’alimentation exogène afin de permettre chez l’homme la croissance normale et le maintien de l’équilibre azoté. La phrase suivante permet de mieux retenir la liste Le

très

lyrique

Tristan

fait

vachement

méditer

Iseult.

Leu

thr

Lys

Trp

Phe

Val

Met

Ile

N.B : Chez le nouveau né et l’enfant ( His et Arg) semi indispensables. N.B : Le Tryp présente un noyau indole (indolamine ) l’His renferme un noyau imidazole doué d’une grande réactivité à cause de sa structure électronique ( formules à retenir). Le noyau participe à de nombreuses réactions biochimiques et à plusieurs processus physiologiques (Transmission neuromusculaire, contraction musculaire) -l’arginine possède un groupement guanidine qui peut se combiner à l’acide phosphorique, l’arginine phosphate a un rôle important dans la contraction musculaire et intervient dans le cycle de formation de l’urée. ( formule à retenir). 1-4.a) Acides aminés rares ou occasionnels : Dans ce groupe peuvent figurer l’hydroxyproline (OHPro) ou HyPro 4 OH Pro HO HC

CH2

H2 C

CH-COOH N H NH2

H2N-CH2-CH-(CH2)2-CH

5 OH Lysine 5

HyL


OH

COOH Structure et propriétés des acides aminés

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b)-Des α aminoacides ou des forme β, γ aminées qui n’entrent pas dans la composition des protéines EX : H2N-CH2-CH2-COOH

β alanine

La β alanine se rencontre cependant dans l’acide pantothénique et dans deux dipeptides la carnosine et l’ansérine. NH2 O=C

NH2

NH- (CH2)3-CH

NH2

COOH

H2N-(CH2)3-CH

Citrulline

COOH

Ornithine

A- Ce sont des métabolites intermédiaires intervenant dans la synthèse de l’arginine. C)-A la limite on peut inclure des dérivés d’aminoacides Ex : la thyroxine (hormone thyroïdienne)

I HO

I

NH2

O I

CH2-CH I

COOH

NH-CO-CHCl2 O2N

O

CHOH-CH

Chloramphénicol (antibiotique) CH2OH

H2N

COOH

Acide p amino salicylique ou PAS

OH

(antituberculeux)

2-Propriétés acido-basiques 2-1. Définition D’après la définition de Bronsted , un acide libère des protons alors qu’une base en accepte.Les acides aminés possèdent à la fois une fonction acide faible et une fonction basique faible : Ce sont des ampholytes. 6


Structure et propriétés des acides aminés

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Du fait de la présence sur la mêmes molécule de plusieurs fonctions ionisables, les acides aminés sont appelés des amphotères. La dissociation de ces 2 fonctions est essentiellement fonction du PH. -En milieu acide, la fonction amine s’ionise en captant un proton alors s’en milieu basique la fonction acide s’ionise en libérant un proton. Il existe une valeur du PH pour laquelle les 2 fonctions sont également dissociés ( α acide =α base ) , la molécule est électriquement neutre et ne se déplace pas dans un champ électrique on a affaire à un ion dipôlaire ou mixte (Zwitterion ). Le PH correspondant à l’existence du Zwitterion est le point isoelectrique. (charge nette est nulle ) PHi Exemple : cas d ‘un acide α aminé monoacide et monobasique En allant du PH acide au PH très basique on peut écrire les réactions d’ionisation en schématisant l’évolution des charges de la manière suivante :

COOH H3N+-C-H R

AA

-H+ +H+

COOH3N+-C-H

PKαCOOH

-H+ +H+

R

H2N-C-H

PKαNH2

Zone neutre

Symbole

Zone acide (Saturation protons) A + ou AA+

Forme

Cationique

Zwitterion, ampholyte ion dipolaire hybride

A+/-

COO-

ou AA+/-

R

Zone basique (départ maximum protons) Aou AAanionique

Remarque : En règle générale, le PK d’ionisation (PH de ½ d’association) des fonctions α carboxylique est compris entre 2 et 3 et celui des fonctions α aminées de l’ordre 10 (la fonction amine secondaire de la Pro à un PK de l’ordre 10.60) Celui des autres fonctions ionisables du radical R caractérise chacun de ces acides aminés : ASP : 3.65 TYR : 10.07

GLU : 4.25

LYS : 10.53

ARG : 12.48

7

HIS : 6.0

CYS : 8.33


On peut ainsi calculer pour chaque acide aminé sa charge totale à tous les PH. Voir cours Structure et propriétés des acides aminés Exemple1 : Calcul du PHi de la Gly sachant que PKa1 = 2.4 PKa2=9.6

A.M.L

[Gly +/-][H+] Glycine +

Glycine +/-

+H+

ka1= [Gly +]

[Gly -][H+] Glycine +/-

Glycine -

+H+

ka1= [Gly +/-]

( Gly+/-)(H+) pI ( Gly +)=[Gly -] et

Ka2 (Gly+/-) =

Ka1

[H+]

[H+]2= Ka1 . Ka2 [H+]=

Ka1 . Ka2

PKa1+PKa2 PHiGly = PI

2.34+9.6 =

2

= 5.97

Moyenne de valeur PK

2

Remarques importantes : a- Pour les acides aminés à trois groupements ionisables, on ne tient compte en général que de 2 valeurs prédominantes du PKa

C'est-à-dire :

pKa1 et pKa2 pour les acides dicarboxyliques

PK (COOH)

pKa2 et pKa3 pour les acides diaminés

PH (NH2)

8


-Pour estimer quelle est la charge portée par un acide α aminé dans un milieu de PH donné, il faut répondre à la question suivante : Le PH du milieu est –il plus acide ou plus basique que le PHiAA ? Structure et propriétés des acides aminés A.M.L Exemple 2

Ecrire les réactions d’ionisations du glutamate quand on passe d’un milieu très acide à un milieu très basique .Les valeurs des PK d’ionisation du Glu sont les suivantes :

PK1 =2.19

PK2= 9.67

PK3(γ) = 4.25, déterminer son PHi

On remarque que la situation est plus complexe pour un acide aminé qui possède d’autre groupements ionisables (situé sur la chaine R) en plus de ceux attachés à l’atome de carbone α Les AA dicarboxyliques ou diaminés ont 3 PK Ecrivons les réaction d’ionisation de l’acide glutamique ( dicarboxyliques)

COOH

H+

H3N+ -CH

COO-

H3N+-CH PK1=2.19

(CH2)2

H+

α COOH

COO-

H3N+ - CH Pk3=4.25

(CH2)2

H+

COO-

H2N - CH PK2=9.67

PKr γCOOH (CH2)2

(CH2)2

COOH

COOH

COO-

COO-

AA+

AA+/-

AA-

AA-2

Glu+

Glu+/-

Glu-

Glu-2

Milieu très acide

Zwitterion

Milieu très basique 9


Calcul du PHi On constate que la forme de zwitterion se situe entre les valeurs PK1=2.19 zone isoelectrique) D’où

PK1+PKr

et PKr=4.25 (c.-à-d. d dans la

2.19+4.25 = = 3.22 2

PHiGlu= 2 Exemple 3

Prenons l’exemple de la lysine : AA. Monoacide et dibasique

PKα COOH

PKr= εNH2=10.53

PKα NH2

2.18

8.95 Structure et propriétés des acides aminés

A.M.L

Ecrivons les réactions d’ionisation lorsqu’on passe d’un milieu très acide à un milieu très basique.

COOH

COO-

COO-

H+

H+

H3N+ -CH

H3N+-CH

H+ H3N+ - CH

+H+ (CH2)4

COO-

H2N - CH

Pk2 α NH2

PK1

(CH2)4

8.95

PK3 (CH2)4

PKr

α COOH NH3+

ε NH2

(CH2)4

10.53

2.18

NH3+

Lys++

NH3+

Lys2+/-

Lys+/-

Milieu très acide

Zwitterion

NH2 Lys-2 Milieu très basique

D’où : PK2+PK3 PHiLys =

8.95+10.53 =

2

= 9.74 2

Exemple 4

10

PHi = Moyenne valeurs prédominantes.


Calculer les PHi des AA suivants : AA PK1 PK2 PKr Asp 2.1 9.8 4.2 Cys 1.81 10.87 8.33 Tyr 2.20 9.11 10.07 His 1.80 9.17 6.0 Arg 2.17 9.04 12.48 b) Représenter les formules développées des acides aminés suivants :

PHi

Arg , Asp et His à PHm = 13 COO-

COO-

H2N –CH

H2N-CH

(CH2)3

H2N- CH

CH2

NH

NH

C

NH2

Arg-

COO-

CH2 COO-

HN

N CH

Asp-

His-

Structure et propriétés des acides aminés

A.M.L

c) Représenter sous forme de Zwitterion Asp et His .

COO-

COO-

H3N+-CH

H3N+-CH

CH2

CH2

COOH

HN

N CH

Asp+/- ou Asp0

His+/- ou His0

N.B :Pour estimer quelle est la charge portée par un AA. Dans un milieu donné, il faut répondre à la question suivante. Le PH du milieu est plus acide ou plus basique que le PHi de l’AA ? Si le PH du milieu ( PHm) est plus acide que le PHi de l’AA c.-à-d. PHm < PHiAA , Il y a saturation en protons et donc prédominance de la forme cationique (+). 11


Si PHm > PHiAA( c.-à-d. PHm est plus basique que le PHiaa ), Il y a départ de protons et prédominance de la forme anionique (-). Si PHm = PHiAA

Forme Zwitterion

charge nulle.

12

Acides aminés  

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