Biochimie: Acides aminés et protéines

Protéines

• Composés organiques les plus abondants dans les cellules.
• Constituent plus de 50% de la masse sèche des cellules.
• Jouent un rôle prédominant dans leur fonctionnement.
• La brique de base qui les constitue est l'acide aminé.
• Structure primaire : Séquence d'acides aminés.
• Structure secondaire : Repliement local de la chaîne principale (hélice alpha, feuillet bêta).
• Structure tertiaire : Structure tridimensionnelle.
• Structure quaternaire : Association de plusieurs chaînes polypeptidiques.

Acides Aminés

• Il existe plusieurs dizaines d'acides aminés différents.
• Seule une vingtaine sont codés génétiquement.
• Classés en 5 catégories:
  • AA sans chaîne latérale.
  • AA dont la chaîne latérale peut être positive.
  • AA dont la chaîne latérale peut être négative.
  • AA dont la chaîne latérale est neutre.
  • AA dont la chaîne latérale est hydrophobe.
• Représentation en perspective et de Fischer des séries L et D.
• Sauf pour la glycine, on distingue pour chaque acide aminé 2 énantiomères.
• Acides aminés hydrophobes : Alanine (Ala), Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile).
  • Peu réactifs.
  • N'interagissent pas avec l'eau mais interagissent favorablement entre eux.
• Proline (Pro) est un acide iminé.
  • La forme cis est plus stable que la forme trans.
• Acides aminés à fonction alcool : Sérine (Ser), Thréonine (Thr).
  • L'OH est peu réactif chimiquement sauf par une activation particulière .
• Acides aminés à fonction soufrée : Méthionine (Met) et Cystéine (Cys).
  • Le résidu de Met est peu polaire et peu réactif.
  • L'atome de soufre est moyennement nucléophile mais pas du tout basique.
  • Dans les protéines, il est donc un des nucléophiles les plus forts à pH acide.
  • Le soufre est aussi oxydable par des oxydants puissants.
  • La Cystéine a plusieurs états d'oxydation possible.
  • En présence d'oxygène l'état final est généralement celui qui correspond à la formation d'un pont disulfure.
  • Avec des oxydants plus puissants, il se forme un acide sulfonique -SO3H.
• Les ponts disulfure se forment toujours après la synthèse des protéines.
  • La liaison est covalente, elle est relativement stable.
  • Dans les protéines, ils peuvent facilement être réduits par un excès de réactifs comme le β-mercaptoéthanol ou le dithiothréitol.
  • Il est possible de casser le pont disulfure par des réactifs comme le cyanure, le sulfite ou l'hydroxyle.
• Acides aminés chargés négativement: Acide aspartique (Asp) et Acide glutamique (Glu).
  • Résidus acides peu différents chimiquement au niveau du C terminal.
  • Sont très polaires car généralement ionisés.
• Résidus amides: Asparagine (Asn) et Glutamine (Gln).
  • Ce sont des groupements polaires mais peu réactifs.
  • Leur désamination est possible aux pH extrêmes.
• Acides aminés chargés positivement: Lysine (Lys), Arginine (Arg) et Histidine (His).
  • Compte tenu des pK, ces résidus sont généralement chargés.
• Acides aminés cycliques : Phénylalanine (Phe), Tryptophane (Trp) et Tyrosine (Tyr).
  • Résidus aromatiques responsables de l'absorption UV et de la fluorescence.
• Nature des acides aminés : Masse (Dalton), Volume de van der Waals A°(3), Présence dans les protéines (%).
• Groupement latéral et Pka mesuré.
• Les acides aminés sont des composés amphotères.
  • Peuvent se comporter comme un acide (donneur de H+) ou comme une base (accepteur de H+).
  • Propriétés physico-chimiques en fonction du pH (acide, neutre, basique).
• Relation pour un acide AH (COOH) entre le pKa, les concentrations des formes protonées et déprotonées et le pH de la forme.
• Pour un acide aminé il y a deux constantes de dissociation K₁ et K₂.
• Si pH < pK₁, la forme cationique est majoritaire.
• Si pH > pK₂, la forme anionique est majoritaire.
• Si pH = pK₁, les formes [cations] = [neutres].
• Si pH = pK₂, les formes [neutres] = [anions].
• Si pH = (pK₁+pK₂)/2, la forme neutre est majoritaire, on parle de pHi.
• Courbes de titration de la glycine, de l'acide glutamique et de l'histidine.
• Réaction avec la Ninhydrine: produit une couleure pourpre.
• --Elles permettent la détection, la mesure et l'identification des acides aminés.---
• D'autres réactifs réagissent avec le groupement aminé pour former des produits colorés ou fluorescents.
  • 1-Fluoro-2,4-dinitrobenzène, la Fluorescamine, le Chlorure de dansyle.

Peptides

• Enchaînement d'acides aminés.
• La taille varie de deux ou trois acides aminés jusqu'à des macromolécules contenant des milliers d'acides aminés.
• Chaque acide aminé est aussi appelé un résidu.
  • 2 résidus = dipeptide, 3 résidus = tripeptide.
  • 12-20 résidus = oligopeptide.
  • 20-100 résidus = polypeptide.
  • au-delà de 100 = protéine.
• Deux molécules d'acides aminés peuvent être unies par covalence par une liaison amide substituée appelée liaison peptidique.
• Caractéristique de la liaison peptidique.
• Pas de rotation possible autour de cette liaison.
• Les peptides ne contiennent qu'un groupement aminé libre et un groupement carboxylique libre.
  • Ces groupements s'ionisent comme chez les AA libres.
  • Les groupements R de certaines AA peuvent s'ioniser et contribuer aux propriétés acido-basiques globales du peptide.
  • Ils possèdent des courbes de titration et un pH isoélectrique caractéristiques.
  • A ce pH (Phi), ils ne peuvent pas migrer dans un champ électrique.
• Les protéines présentent aussi un pH isoélectrique, c'est le pH auquel la charge globale de la protéine est neutre.
  • Ce pHi est une propriété qui peut être mise à profit pour la purification des protéines.
• Taille des protéines: La protéine peut être formée par une seule chaîne polypeptidique ou plusieurs.
• Les protéines peuvent être liées à un groupement non protéique (groupement prosthétique)

Structure des protéines

• On distingue plusieurs niveaux d'organisation des protéines.
• On les classe par ordre de complexité croissante:
  • Structure primaire.
  • Structure secondaire.
  • Structure tertiaire.
  • Structure quaternaire.
• C'est l'ordre d'enchaînement des acides aminés qui constituent la protéine ou la séquence.
  • Les acides aminés sont numérotés en partant du N-terminal en allant vers le C-terminal.
  • la liaison C-N unissant deux aminoacides est plus courte que la plus part des autres liaisons C-N.
  • cette liaison possède un caractère de double liaison, elle ne peut pas tourner librement.
• Les quatre atomes de la liaison peptidique sont dans un seul plan CO-NH.
  • Les liaisons C-N rigides représente un tiers de la totalité du squelette qui ne peut pas tourner librement.
• Les liaisons hydrogènes entre les chaînes latérales de résidus d'aminoacides dans les boucles adjacentes de la chaîne.
• Attraction ionique entre les chaînes latérales chargées de façon opposée.

Hélice & Feuillet

• Pauling et Corey ont étudié l'enroulement d'une chaîne peptidique en respectant les contraintes imposées par les liaisons peptidiques rigides et planes (mais avec d'autres liaisons simples libres de rotation).
• Cette structure hélicoïdale est appelée hélice a.
  • Dans cette structure le squelette polypeptidique est étroitement enroulé autour de l'axe longitudinal de la molécule.
  • Les chaînes latérales des résidus aminoacides sont dirigés vers l'extérieure du squelette hélicoïda