Biochimie: Acides Aminés et Protéines

Biochimie Générale : Acides Aminés et Protéines

• Il existe environ 300 aminoacides inventoriés, mais seulement 20 composent les protéines.
• Certains aminoacides non standard dans les protéines sont modifiés après la traduction.
• Les noms des 20 aminoacides évoquent leurs sources, propriétés physiques ou analytiques.
• Des abréviations à trois lettres ou une lettre sont couramment utilisées pour ces aminoacides.
• Les animaux supérieurs ne peuvent pas biosynthétiser tous les aminoacides.
• Chez l'homme, l'isoleucine, la leucine, la lysine, la méthionine, la phénylalanine, la thréonine, le tryptophane et la valine sont indispensables et doivent être apportés par l'alimentation.
• L'arginine et l'histidine sont essentiels pour les nouveau-nés et les enfants.

Définition et Formules Générales

• Les aminoacides sont des molécules organiques bifonctionnelles avec un groupement amine (primaire) sur le carbone α.
• La fonction amine est une base et la fonction carboxyle est un acide (fonctions ionisables).
• Exception faite de la proline (acide a-iminé), ce sont des acides α-aminés (ou 2-amino-acides).
• La masse moyenne d'un acide aminé est d'environ 110 Da.
• Aux valeurs de pH physiologique, les groupes acide carboxylique et amine de l'α-acide aminé sont complètement ionisés.
• Un acide aminé agit comme un acide ou une base, étant ainsi amphotérique ou ampholyte.
• Molécules avec des groupes chargés de polarité opposée sont appelées zwitterions ou ions dipolaires.

Rôles des Acides Aminés

• Les acides α-aminés sont essentiels en biochimie comme constituants élémentaires des protéines.
• Ils polymérisent via des liaisons peptidiques en de longues chaînes macromoléculaires appelées peptides.
• La dégradation des acides aminés peut fournir de l'énergie.
• Les acides aminés ne sont pas stockés comme les sucres et les acides gras.
• Ils sont utilisés pour synthétiser des hormones, des neurotransmetteurs, des médiateurs des réactions allergiques, le cycle de l'urée, des transporteurs NH2, des coenzymes, des antibiotiques, etc.

Classification des Acides Aminés

• Sept groupes d'aminoacides basés sur leurs chaînes latérales peuvent être définis
• Les 20 acides aminés protéiques standards sont représentés dans le code génétique universel.

Acides Aminés à Chaîne Aliphatique (Neutre)

• Glycine, Alanine, Valine, Leucine et Isoleucine.
• Les chaînes aliphatiques plus grandes sont hydrophobes et ont tendance à s’agglomérer.
• La structure tridimensionnelle des protéines hydrosolubles est stabilisée par le regroupement des chaînes latérales hydrophobes.

Acides Aminés à Chaîne Latérale Aromatique

• Phénylalanine, Tyrosine et Tryptophane.
• Ces trois acides aminés sont très hydrophobes.

Acides Aminés Soufrés

• Cystéine et Méthionine.
• Les chaînes latérales contenant du soufre sont hydrophobes.
• Le groupe sulfhydryle (thiol) de la cystéine est très réactif et joue un rôle spécial dans l’architecture de certaines protéines en formant des liaisons disulfures.
• Un acide très faible (forme base conjuguée : thiolate), le groupement thiol est un donneur de proton.

Acides Aminés Hydroxylés

• Sérine et Thréonine.
• Ces acides aminés sont hydrophiles.
• Les groupes OH ne sont pas ionisables.

Acides Aminés Basiques

• Lysine, Arginine et Histidine.
• La lysine et l’arginine sont chargées positivement à pH neutre.
• L’histidine se rencontre dans le site actif des enzymes où son noyau imidazole peut osciller entre deux états pour catalyser la formation ou la rupture de liaison.

Acides Aminés Dicarboxyliques et Leurs Amides

• Aspartate, Glutamate, Asparagine et Glutamine.
• La chaîne latérale contient un groupement carbonyle libre ou sous forme d'amide.
• Les groupements carboxyle (Asp et Glu) sont ionisables et chargés négativement à pH physiologique.
• Les groupements amides (Asn et Gln) ne sont pas protonables et non ionisables.

Iminoacide, La Proline

• Elle a une fonction amine secondaire (chaîne latérale cyclique) et est souvent rencontrée dans les coudes bêta des chaînes protéiques reployées.

Acides Aminés Non Standards

• La sélénocystéine (chez les eucaryotes) et la pyrrolysine (chez les procaryotes) sont des acides a-aminés rares non standard.
• L'énantiomère L est l'un des 22 acides aminés protéinogènes, encodés sur les ARN messagers par les codons-stop UGA et UAG respectivement.
• La sélénocystéine (Sec et U) est un analogue sélénié de la cystéine, entrant dans certaines enzymes de la classe des oxydoréductases.
• La pyrrolysine (Pyl et O) est un dérivé de la lysine identifié chez des archées méthanogènes, dans des enzymes spécifiques à leur métabolisme.

Autres Classifications des Aminoacides

• La classification peut être basée sur la polarité de la chaîne latérale (R).
• R apolaire (hydrophobe) : Gly, Ala, Val, Pro, Met, Leu, Ile, Phe, Trp.
• R polaire mais non chargé à pH physiologique (hydrophile) : Ser, Asn, Thr, Gln.
• R polaire et chargé (plus ou moins hydrophile selon le pH) : Asp, Glu, Cys, Tyr, Lys, His, Arg.

Besoins Nutritionnels

• Les animaux supérieurs ne peuvent pas biosynthétiser tous les aminoacides.
• Chez l'homme, Iso, Leu, Lys, Met, Phe, Trp, Thr et Val doivent être apportés par la ration alimentaire (indispensables ou essentiels).
• L'arginine et l'histidine sont essentiels pour le nouveau-né ou l'enfant.
• Les autres acides aminés sont non essentiels car l'organisme humain les synthétise.

Acides Aminés Non Standards (Fig. II-04)

• Soit un acide aminé d'une protéine modifié après la traduction (modification post-traductionnelle).
• Soit des intermédiaires de la biosynthèse d'autres aminoacides, des éléments de construction d'autres molécules (lipides, coenzymes) ou des molécules actives.
• Les modifications post-traductionnelles concernent les groupes terminaux ou latéraux des protéines.
• Exemples : 4-hydroxyproline, 5-hydroxylysine, y-carboxyglutamate, desmosine etc.

Autres Aminoacides (Non Protéiques Non Standards)

• Dérivés obtenus par décarboxylation.
• Histidine décarboxylée en histamine (réactions d'inflammation et d’allergie).
• Acide glutamique décarboxylé en 4-aminobutanoique (GABA) (neurotransmetteur).
• Mammifères : ornithine et citrulline (cycle de l'urée), taurine (sels biliaires).
• Plantes, champignons et bactéries : β-cyanoalanine (poison), antibiotiques (D-cyclosérine et l'azasérine).

Propriétés Physiques des Acides Aminés

• Chiralité-Activité optique
  • Tous les acides aminés, sauf la glycine, ont un carbone chiral central lié à quatre groupes différents.
  • Ils existent sous forme de deux énantiomères (L et D).
  • La nature synthétise et utilise seulement la forme L dans la plupart des cas.
  • La forme D est rare, présente dans la paroi cellulaire de certaines bactéries.
  • Le carbone 3 (β) de la thréonine et de l'isoleucine est aussi un centre chiral avec deux formes épimères (préfixe "allo" pour l'épimère rare).
  • La racémisation est le passage d'un énantiomère à un autre.

Microorganismes

• Certains microorganismes utilisent ou produisent des aminoacides D.
• Exemples : D-Phe dans la gramicidine S et la tyrocidine A, 6 aminoacides D (D-Leu et D-Val) dans la gramicidine A.
• Cette particularité augmente la résistance à la dégradation par des enzymes protéolytiques.
• La racémisation vers un équilibre lent est utilisée pour la datation de fossiles (rapport D/L de l'acide aspartique).

Spectre d’absorption

• Les aminoacides n'absorbent pas la lumière visible (solutions incolores).
• Les bandes d'absorption dans l'infrarouge sont caractéristiques de leurs chaînes latérales.
• Les chaînes latérales aromatiques ont des spectres d'absorption dans l'ultraviolet moyen.
• La phénylalanine absorbe peu (proche 250 nm), le tryptophane 4 fois plus que la tyrosine (proche 280 nm), propriété utilisée pour le dosage.
• L'absorption de la tyrosine dans l'UV dépend de l'ionisation du phénol et du pH.

Solubilité

• Généralement solubles dans l'eau et pas dans les solvants organiques (la nature du radical peut affecter la solubilité).
• La solubilité dans l'eau dépend du groupement fonctionnel commun et de la chaîne latérale.
• En présence de deux phases liquides, les aminoacides se répartissent avec des coefficients de partage spécifiques.

Propriétés Ioniques

• L'acide aminé libre possède au moins deux groupements fonctionnels (carboxylique et amine), le rendant amphotère.
• En solution aqueuse, il se présente sous diverses formes en équilibre, chargées positivement ou négativement.
• Le point isoélectrique (pI) est le pH où l'aminoacide est neutre.
• pH inférieur au pI : charge nette positive, pH supérieur au pI : charge nette négative.

Comportement des Chaînes Latérales

• Dans le cas d'une fonction carboxylique latérale, le pI est calculé avec le pKa-COOH et le pKR-COOH.
• Contrairement aux aminoacides sans fonction ionisable latérale, il n'y a pas de zone isoélectrique pour l'acide glutamique.

Points de Fusion

• Généralement, les acides aminés fondent à des températures élevées (souvent au-dessus de 200°C).

Goût

• Les acides aminés n'ont pas de goût général caractéristique spécifique.
• Ils peuvent être sucrés, insipides, amers ou sulfureux.

Propriétés Chimiques

• Les groupements a-carboxylique et a-aminé sont essentiels pour les réactions.

Estérification des Alcools

• Sert à séparer les aminoacides par chromatographie en phase gazeuse (esters méthyliques volatils).
• Estérification effectuée pour protéger les groupes carboxyles lors de la synthèse chimique des peptides.

Décarboxylation

• Réaction présente dans les organismes vivants, produisant des dérivés (amines) à partir d'aminoacides : éthanolamine (précurseur de la choline des phospholipides), histamine (vasodilatateur), 4-aminobutanoique ou "GABA" (neurotransmetteur).

Groupement amine (α-aminé)

• Les réactions de la fonction amine sont utilisées pour identifier les aminoacides et marquer les groupements NH2 terminaux des peptides ou protéines.
• Les marqueurs fluorescents sont greffés sur des groupements NH2.

Désamination

• Maintien la réserve intracellulaire.
• Pour maintenir la réserve intracellulaire des 20 aminoacides servant à la synthèse protéique, le métabolisme passera par des désaminations avec oxydation qui produiront des acides a-cétoniques.

Transamination

• Une réaction de transfert du groupement amine entre un acide amine et un acide α-cétonique, catalysée par des transaminases.

Réaction avec la Ninhydrine

• Fondamentale dans la détection des acides aminés.
• L'acide aminé se dégrade complètement par désamination et décarboxylation.
• La ninhydrine est un compose aromatique et un puissant oxydant entrainant la désamination oxydative.

Addition de Carbonyle

• Les fonctions α-aminés des aminoacides réagissent réversiblement avec les aldéhydes pour donner des bases de Schiff.
• La proline ne réagit pas.
• Le 1,2-dialdéhyde benzénique rend le produit d'addition très fluorescent.

Arylation

• Utilisée par Frederik Sanger (1953) pour établir la première structure primaire de l'insuline.

Acylation, Carbamylation

• L'acylation utilise le chlorure de dansyle (produit stable et fluorescent).
• La carbamylation utilise le phénylisothiocyanate (PTC).

Les Groupes Latéraux

• Ces réactions sont présentes dans les cellules pour modification post-traductionnelle.

Groupements COOH

• Aspartate et glutamate transformés en asparagine et glutamine, la glutamine sert au transport de l'ammoniac.

Groupements NH2

• Impliqué dans les réactions spontanées avec les groupements carbonyles des aldoses et des cétoses (glycation).
• Liaisons coenzymes à l'apoenzyme.
• Liaisons covalentes entre protéines (fibres du collagène).

Groupements S

• Le groupe thiol de la cystéine est très réactif avec oxydation formant des ponts disulfures.
• Les métaux peuvent se fixer par l'intermédiaire du groupe thiol ou du groupement imidazole.
• Le groupe thioéther de la méthionine est peu réactif.

Groupements OH

• Le groupement hydroxyle du phénol de la tyrosine et le groupement hydroxyle de la serine et de la threonine sont le site de phosphorylation.

Groupements CONH2

• Le groupement amide de l'asparagine est le point de branchement des N-glycosylations.

Méthodes d'analyse des acides aminés

• L'extraction des acides aminés libres peut se faire simplement à l'eau, puisqu'ils sont solubles.
• Plusieurs techniques chromatographiques sont applicables pour l'analyse d'un mélange d'acides aminés :
  • La chromatographie sur couche mince (CCM);
  • La chromatographie sur papier (CP);
  • La chromatographie liquide à haute pression (CLHP);
  • La chromatographie échangeuse d'ion (voir au-dessous en détail);
  • L'électrophorèse sur papier (voir au-dessous en détail).

Chromatograhpie Échangeuse d'Ions

• Stanford Moore et William Stein décrivent la méthode en 1951, utilisant du polystyrène sulfonaté.
• Ils ont ainsi montré que le site était constitué de 2 résidus spécifiques de l'histidine.
• Des résines (matrice insoluble) chargées électriquement. La chromatographie échangeuse d'ions se réalise
• Matrices utilisées : DiEthylAminoEthyl Cellulose (DEAE-Cellulose) (charge positive), CarboxyMéthyl Cellulose (CM-Cellulose) et Phosphocellulose (charge négative).
• La force d'association entre les molécules chargées et la matrice dépend de la force ionique et du pH de la solution d'élution.

Étapes de la Chromatographie

• Première étape : la résine est équilibrée.
• Deuxième étape : dépôt des molécules à séparer.
• Troisième étape : élution des molécules fixées.
• Quatrième étape : régénération de l'échangeur d'ions.
• Généralement cette chromatographie est automatique assistée.

Applications de la Chromatographie d'Échange d'Ions

• Utilisée pour séparer des molécules ionisables de différentes tailles, comme les ions minéraux, acides aminés, peptides, protéines, glucides et lipides ionisés.

Électrophorèse

• C'est - avec la chromatographie - la principale des techniques utilisées en biologie pour la séparation et la caractérisation des molécules.
• La migration des substances dissoutes dans un solvant sous l'action d'un champ électrique est appelée électrophorèse.
• Support utilisé : acides aminés/papier, protéines/gel polyacrylamides, acides nucléiques/gel d'agarose.
• Sépare les cations, anions et zwitterions.