Biochimie acides aminés et protéines

Biochimie 2ème année LMD, UMMTO

Mr LEFSIH, [email protected]

1. Les α-aminoacides 1.2. Généralités

Les protéines sont les biomolécules les plusabondantes car elles représentent 50 % du poids secd’une cellule.

Elles sont aussi très diverses :

Catalyseurs et régulateurs: les enzymes

Rôle constitutif passif ou actif

Hormones

Hémoglobine

Réponse immunitaires: les anticorps

Rôle de défense ou d’attaque: toxines

Rôle Nutritif

1. Les α-aminoacides 1.2. Généralités

Plus 300 aminoacides différents ont été décrit dansla nature, seulement 20 ont été communémentretrouvés en tant que constituants des protéines demammifères. [les seuls codés génétiquement].

Toutes les protéines sont formées de 20 acidesaminés standard. Ces derniers sont des α-amino-acides, car, à l’exception de la proline, ils présententun groupement amine primaire et un groupementacide carboxylique substitués sur le même atomede carbone et une chaine latérale distinctive(chaine-R) liée au carbon α.

1. Les α-aminoacides 1.3. Définition

Formule générale

un carbone tétraédrique chiral Cα est uni à un carboxyle –COOH, une amine primaire –NH2, un hydrogène –H et une chaîne latérale –R propre à chaque α-aminoacide


Selon la convention de Fischer, dans les α-aminoacides, la chaîne

carbonée est verticale et vue par sa convexité ; le COO–, dont le niveau

d’oxydation est le plus élevé, est placé vers le haut et le NH3+ peut alors

se situer soit à gauche, soit à droite du Cα chiral ; les α-aminoacides

appartiennent alors à la série L (laevus, côté gauche) ou à la série D

(dexter, côté droit).

Les α-aminoacides des protéines de tous les êtres vivants connus

appartiennent à la série L.


Au pH physiologique (≈ pH 7,4), le groupementcarboxylique est dissocié, formant ioncarboxylate chargé négativement (–COO-), et legroupement amine protoné (–NH3

+).

Dans les protéines, la majorité des groupementscarboxyle et amine sont impliqués dans desliaisons peptidiques et, en général, ne sont pasdisponible pour les réactions chimiques, exceptéformation des liaisons hydrogène. Pour cela, lachaine latérale indique délicatement le rôle del’aminoacide dans la protéine.

Donc il est très judicieux de classifier lesaminoacides d’après les propriétés des chaines.

1. Les α-aminoacides 1.4. classification des α-aminoacides

Chaîne latérale non-polaire


Chaîne latérale polaire non chargée


Chaîne latérale acide


Chaîne latérale basique

1. Les α-aminoacides 1.5. les acides animés non communs

1. Les α-aminoacides 1.6. Ionisation, effet du pH

Ionisation de l ’eau:

L ’eau se dissocie en ions

H2O H+ + OH-

En solution l ’ion H+ est solvaté

H2O + H+ H3O+

La constante d ’équilibre est

[H3O+] [OH-]

Keq =

[H2O]


Dans l ’eau pure on a [H3O+] = [OH-] = 10-7 M

Si [H3O+] > [OH-] la solution est acide

Si [H3O+] < [OH-] la solution est basique

On définit le pH = -log [H3O+]

une solution acide a un pH < 7

une solution basique a un pH > 7

La variation d'une unité pH correspond à une variation

facteur 10 de la concentration en ion H+


Un acide fort se dissocie totalement dans l ’eau

HCl H+ + Cl-

Un acide faible se dissocie partiellement dans l ’eau, il

s’établit alors un équilibre entre les différentes formes en

solution

AH H+ + A-

AH est l ’acide et A- la base conjuguée


Pour un acide HA, la relation entre le pKa, les

concentrations des formes protonées et

déprotonées et le pH est de la forme:

Si pH = pKa on a [AH] = [A-]

Si pH < pKa la forme AH prédomine

Si pH > pKa la forme A- prédomine

pH = pKa + log10

[A-]

[HA]


Les acides aminés sont des molécules amphotères: Il peuvent agir comme desacides et comme des bases.

Ils existent à l'état de zwitterions, c-à-d ils peuvent contenir des charges positives

et négatives par leurs groupement carboxylique chargé négativement et aminé,

chargé positivement et par les groupements ionisables de leurs chaines latérales.

le zwitterion est une forme neutre qui possède autant de charges positives que de

charges négatives

1. Les α-aminoacides 1.7. Titration d’un acide aminé

Si pH < pK1 la forme cationique

est majoritaire

Si pH = pK1 les formes [cations]

= [neutres]

Si pH = (pK1 + pK2)/2 la forme

neutre est majoritaire, on parle

de pHi

Si pH = pK2 les formes [neutres]

= [anions]

Si pH > pK2 la forme anionique

est majoritaire

1. Les α-aminoacides 1.8. Ionisation des AA: évolution des charges

1. Les α-aminoacides 1.8.1. Titration d’un acide aminé à chine latérale non chargée

pHi = ½ (pK1 + pK2) = = (9,60 + 2,34)/2 = 5,97

1. Les α-aminoacides 1.8.2. Titration d’un acide aminé à chine latérale positive

pHi = ½ (pK2 + pK3) = (8,95 + 10,53)/2 = 9,74

1. Les α-aminoacides 1.8.3. Titration d’un acide aminé à chine latérale négative

pHi = ½ (pK1 + pK2) = (4,25 + 2,19)/2 = 3,22

1. Les α-aminoacides 1.9. Propriétés physiques: Solubilité

Les acides aminés sont solubles dans l’eau, mais très

faiblement à un pH autour de leur pHi , plus fortement

en milieu alcalin (formation de sels);

Ils sont plus faiblement solubles dans l’alcool;

La solubilité dans les solvants apolaires dépend de

leur chaine latérale.

1. Les α-aminoacides 1.9. Propriétés physiques: Coloration et absorption de la lumière

Les solutions d’acides aminés sont incolores

La plupart des AA absorbent à une

λ < 230 nm

Les AA aromatiques absorbent vers 280 nm (ultraviolet)

Utile pour repérer la présence de protéines.

Le tryptophane est fluorescent

1. Les α-aminoacides 1.9. Propriétés physiques: Coloration et absorption de la lumière

1. Les α-aminoacides 1.10. Réaction chimiques: la fonction carboxylique

1. Les α-aminoacides 1.10. Réaction chimiques: la fonction amine

1. Les α-aminoacides 1.10. Réaction chimiques: réaction avec la ninhydrine

Le chauffage à

130°C des acides aminés en présence de ninhydrine conduit à la condensation de deux molécules de ninhydrine reliées par un atome d’azote venant de l’acide aminé. C’est le pourpre de Ruhemann.

C’est un composé violet absorbant à 570 nm. L’intensité de la coloration est inversement proportionnelle à la concentration de l’acide aminé.

1. Les α-aminoacides 1.10. Réaction chimiques: formation de pont disulfure

2. Protides et protéines2.1. Définition

Enchaînement d’acides aminés

Chaque acide aminé est aussi appelé un résidu

2 résidus = dipeptide, 3 résidus = tripeptide

Moins de 20 résidus = oligopeptide

20-100 résidus = polypeptide

au-delà de 100 = protéine

Un peptide ne contient pas structures secondaires

canoniques (pas d’hélices ni de feuillets)

2. Protides et protéines2.2. Nomenclature

Orientation dans le sens de synthèse biologique:

NH2 → COOH (= N-term → C-term)

On ajoute le suffixe –yl au nom du résidu.

Le dernier résidu garde son nom d’origine

Exemple: ala-phe-ser: alanylphénylsérine

2. Protides et protéines2.3. Liaison peptidique

.

.


Les 6 atomes engagés dans la liaison

peptidique sont dans le même plan.


la liaison peptidique est un hybride de résonance où les électrons sont localisés dans une orbitale moléculaire π qui recouvre les atomes O, C et N et empêche la libre rotation autour de l’axe C-N.


Une chaîne poly-peptidique a deux types de

liberté de rotation qui lui permettent d’adopter les

conformations qui caractérisent sa structure

secondaire :

la liberté de rotation d’un angle Φ autour de la

liaison unissant le carbone α à l’azote amidique

(liaison Cα–N) ;

la liberté de rotation d’un angle Ψ autour de la

liaison unissant ce même carbone a au carbone du

carbonyle (liaison Cα–C).

2. Protides et protéines2.4. Détermination du pHi

Exemple: glu-gly-ala-his-leu-arg-val

On repère les pKa correspondant dans un tableau.

en vert, les pKa des groupements ionisables


Tableau d’ionisation


Evolution des la charge globale du peptide

+3 ↔ +2 ↔ +1 ↔ 0 ↔ -1 ↔ -2

les pKa adjacents de la forme zwitterion sont pKa = 6 et pKa = 9,67 ; donc:

pHi = ½ (6 + 9,67) = 7,8

à pH = 7,8 le peptide a une charge globale = 0

pKa=2,32 pKa=4,25 pKa=6 pKa=9,67 pKa=12,48

2. Protides et protéines2.5. Structure primaire

Structure primaire : séquence d’AA sous forme

linéaire.

La protéine ne s’est pas encore repliée.

Il n’y a pas de liaisons à l’intérieur même de la chaîne.

2. Protides et protéines2. 5. Structure primaire

Glucagon

Oxytocine

2. Protides et protéines2. 5.1 Structure primaire: action des endopeptidases

2. Protides et protéines2.5.2 Structure primaire: action des exopeptidases

2. Protides et protéines2.5.3 Détermination de AA N-terminal: dégradation d’Edman

La dégradation d’Edman. On laisse

réagir d’abord à pH 9, le résidu

N-terminal d ’une chaîne

polypeptidique avec PITC, et on

obtient le dérivé phénylthio-

carbamyle (PTC). Traité avec l’acide

trifluoroacétique, ce dérivé libère la

thiazolinone de l’acide aminé N-

terminal. La thiazolinone séparée par

extraction subit alors, en solution

aqueuse acide, un réarrangement en

une phénylthiohydantoïne (PTH) de

l’acide aminé. En remettant la chaîne

polypeptidique restante en milieu

alcalin, le deuxième résidu d’acide

aminé est prêt pour le deuxième cycle

de dégradation d’Edman.

2. Protides et protéines2.5.3 Détermination de AA N-terminal: réaction au chloride de dansyle

2. Protides et protéines2.5.3 Détermination de AA N-terminal: méthode de Sanger

Procédure de Sanger pour identifier le résidu N-terminal. Laprotéine est traitée avec du 1-fluoro -2,4-dinitrobenzène (FDNB) dansdes conditions alkalines pour produire une protéine dont le résidu N-terminal est modifié.

L’hydrolyse en milieu acide produit les AA libres et l’aminoacideDNP. Cet aminoacide marqué est identifié par chromatographie.

2. Protides et protéines2.6. Évolution de la structure primaire

2. Protides et protéines2.7. Structure secondaire

C’est un repliement local d’une chaîne

peptidique selon les interactions entre AA.

Il existe plusieurs modèles de structures

secondaires :

Hélice α

Feuillet β

Boucles

Coudes

2. Protides et protéines2.7.1 Hélice α

Les chaînes latérales R sont

orientées vers l’extérieur de

l’hélice.

Les oxygènes des CO pointent

vers l’extrémité C-terminale, les

hydrogènes des NH vers

l’extrémité N-terminale

des liaisons hydrogène

s’établissent entre les CO et les NH

; individuellement, ces liaisons

n’ont pas une grande énergie de

stabilisation mais leur

accumulation stabilise fortement

l’hélice α.

2. Protides et protéines2.7.1 Hélice α

2. Protides et protéines2.7.2 Feuillet β

Se rencontrent rarement dans les membranes car

moins stables que les hélices α.

Les chaînes peuvent être parallèles ou anti parallèles.

Les acides aminés des chaînes opposés l’une à l’autre,

interagissent par des liaisons hydrogènes.

Les AA se situent à 0,35nm l’un de l’autre. Un

étirement est possible.

Dans la représentation schématique d’une protéine,

on donne aux brins b la forme d’une flèche.


Antiparallèle

Parallèle

2. Protides et protéines2.7.3 Coudes et boucles

Les hélices et des feuillets plissés sont

connectés par des régions de conformation non

répétitive et souvent irrégulière, de longueur

variable, les coudes ou les boucles.

Ce sont des domaines de liaison au sein des

protéines.

Permettent les changements d’orientation dans

l’espace.

Souvent exposés à la surface des protéines

2. Protides et protéines2.7.3 Motifs de reploiement

2. Protides et protéines2.8. Structure tertiaire

C’est l’arrangement dans l’espace des différentes structures secondaires.

C’est la structure tridimensionnelle, très stable dans laquelle sont impliquées toutes sortes de liaison non covalentes et covalentes:

Ponts disulfure

Liaison de coordinence ou dative.

Ioniques

Hydrogène

Van der Walls (dipôle induit-dipôle induit)

Hydrophobes

Elle garantit l’activité biologique de la protéine.


Une protéine soluble dans l’eau va se replier de façon à ce

que les résidus les plus polaires soient au contact du solvant. Les

résidus apolaires, eux, seront au cœur de la protéine de façon à ne

pas interagir avec l’eau.

Carboxypeptidase Myoglobine Concanavaline A

2. Protides et protéines2.9. Structure quaternaire

C’est l’association de plusieurs chaînes peptidiques pour donner un complexe stable et actif.

Les chaînes qui constituent ce complexe sont des protomères ou sous-unités, chacune ayant une structure tertiaire définie.

L’association des différentes chaînes se fait via des liaisons faibles et parfois aussi via des ponts disulfures.

On peut trouver des homomultimères (plusieurs chaînes peptidiques identiques) et des hétéromultimères (plusieurs chaînes peptidiques différentes).


Hémoglobine Immunoglobuline

2. Protides et protéines2.10. Hétéroprotéines

Les protéines peuvent être covalemment liées

à d’autres molécules:

si c’est à un lipide on parle de lipoprotéine

si c’est à un glucide on parle de glycoprotéine

si c’est à un métal on parle de métalloprotéine

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