Propriétés physico-chimiques des acides aminés

Introduction :Les aa sont des molécules organiques possédant un squelette carboné et deux fonctions : une amine NH2 et une acide carboxylique COOH , constituant les unités structurales de base des protéinesLes aa ont des propriétés physico chimiques dont l’interet majeur d’etude est leur evaluation qualitative et quantitative

Propriétés physiques :

Isomerie optique Notion de carbone asymetrique C* Les aa à l’exception du glycocolle sont doués d’activité optique appelée également pourvoir rotatoireDevient la lumiere à droite ou a gauche du plan de la lumiere polariséeLe pouvoir rotatoire est de signe et de valeur absolue

Il est mesuré dans les conditions expérimentales à 20 °C et à longueur d’onde dans la raie D du sodium soit 546,1 nmCette activité optique signe la présence dans la molécule d’aa sauf pour le glycocolle d’au moins un atome de carbone substitué asymétriquementChaque aa possède 2 isomères optiques

Ces deux molécules d'alanine sont l'image l'une de l'autre dans un miroir et ne sont pas identiques car non superposables : ce sont des énantiomères

Représentation de FischerOn applique aux aa la représentation de Fischer comme pour les oses , le groupement NH2 jouant le rôle de groupement OH

En fonction du groupement NH2 porté par le Cα on définit deux séries d’aa Serie L : NH2 à gaucheSerie D : NH2 à droite Sachant que l’appartenance à la série ne définit pas le sens du pouvoir rotatoire indiqué par + pour déviation à droite et – pour déviation a gauche

Certains de ces aa comme la thréonine possède un 2eme carbone asymétrique dans ce cas le composé naturel est appelé L ,les deux autres stéréo-isomères dont les positions relatives des substituants sont différents sont appelés « Allo »

Les aa « L » représentent la grande majorité des aa qui se trouvent dans les protéines Les aa D se rencontrent dans certaines protéines produites par les organismes exotiques (ex : mollusques) ce sont des composés abondants des parois cellulaires des bactéries

Dans le sang ,l’isomere le plus fréquent est allo-isoleucine

Racemisation : c’est la transformation de l’aa de la serie D à la serie L ou le contraire par des isomerarses

Absorption dans l’UV Aucun aa n’absorbe dans le spectre visible Tous les aa absorbent dans l’UV lointain Le dimère de cystéine, cystine absorbe à 240 nmPhénylalanine absorbe à 260 nmTyrosine et tryptophane ont un maximum d’absorption dans l’UV à 280 nm du fait de la présence de leur noyau aromatique , cette propriété intéressante est utilisée pour une évaluation quantitative des protéines au spectrophotomètre dans la bande des 280 nm

Solubilité et point de fusion :Les aa sont très solubles dans les solvants polaires ,ex : eau , alcoolA moindre degré dans les solvants apolaires Cette solubilité est dépendante des propriétés de la chaine latérale R Elle diminue avec le nbe d’atomes de C du radicalAugmente si ce radical est porteur de fonctions polaires NH2 COOH ou hydrophile OH Point de fusion est élevé > 200 °c

Ionisation :Composés amphotères : les acides aminés contiennent un groupement COOH acide et un groupement amine NH2 basique En solution , ces groupement existent sous 2 formes ,l’une chargée et l’autre neutre R-COOH R-COO- + H+ \ R-NH3 R-NH2 + H+Ces aa sont appelés pour cette structure di ioniques

amphoteres

L’ionisation varie avec le pH :En milieu acide : la fonction amine s’ionise en captant un proton, l’aa se trouve sous forme de cationEn milieu basique : la fonction acide s’ionise en libérant un proton ,l’aa se trouve sous forme d’anionLe pH : par le quel les deux dissociation s’effectuent est appelé point isoélectrique pHiDefinition du pHi : c’est le pH pour lequel on a un ion dipolaire ou zwitterion de charge nette nulle,ne migrant pas dans un champs electrique

De part et d’autre du pHi ,on definit des pH , qui correspondent à une demi dissociation de COOH et NH3+ ainsi que pour le groupement R ionisable , ce sont les pKpK1 : pour COOH pK2 : pour NH3+pKR : pour radicalpHi des aa : tableau

titration des aa les aa ont des courbes de titration caracteristiques la titration implique l’addition ou l’elimination graduelle de protons

aa neutre les aa avec un seul groupement α aminé ,un seul groupement α carboxylique et un groupement R qui ne s’ionise pas possèdent des courbes de titration proches à celle de la glycine

Equilibre d’ionisation glycine ( suivre au tableau)

ce groupe d’aa neutres est caractérisé par le fait qu’ils ont des valeurs Pk1 du groupement COOH et Pk2 du groupement NH3+la représentation comporte 2 étapes distinctes, chacune correspondant à l’elimination d’un H+ de la glycine

au point median du 1er stade de titration dans le quel le grpment COOH perd son H+,et des concentrations equimolaires de donneurs de protons NH3+-CH2-COOH et accepteur de H+ NH3+-CH2-COO- sont presents pH =Pk1 du groupement COOH = 2 ,34lorsque la titration est poursuivie ,un autre point est atteint pH = 5,97point d’inflexion,l’elimination du 1er proton est pratiquement complete, à ce pH la glycine est sous forme d’ion dipolaire pHile second stade de titration correspond à l’elimination d’un proton à partir NH3+ à un pH=pk2=9,6 ou existe un equilibre entre les deux formes NH3+-CH2-COO- / NH2-CH2-COO-la titration est complete à un pH=12 ,à ce point la forme predominante est NH2-CH2-COO-on peut deduire de cette courbe de titration que la glycine possede 2regions de pouvoir tampon Pk1=2,34 PK2=9,6

les aa avec un groupement ionisableont des courbes de titration plus complexes avec 3 etapes correspondant aux 3 possibiltés d’etapes d’ionisation,ils possedent ainsi 3 valeurs de pK : PK1 ,PK2 ,PK R aa dicarboxylique exemple glutamate relation et courbe de titration aa basique exemple : histidine equilibre d’ionisation et courbe de titration

Conclusion 1ere partie (ppte physiques des aa): Les aa sont des molécules organiques constituant l’unité de base des protéines ,sont solubles dans les solvants polaires , doués d’activité optique ,absorbent dans l’UV et possédant un caractère amphotère , chaque aa possède une courbe de titration qui le caractérise en fonction de la fonction amine, carboxylique et du radical R

Propriétés chimiques

Groupements chimiques fonctionnels d’un acide aminé

Propriétés liées à la présence de la fonction carboxylique ( COOH)

Amidification (amidation)Formation de selsEstérificationdécarboxylation

Mêmes réactions qu’un acide organique ordinaire

Peu réactif au pH physiologique ,car fortement stabilisé par résonnance

1 Amidification

Application/interet :

AsparagineGlutamine

Liaison peptidique : synthèse des protéines

Formation de sels

Action d’une base dont le pH doit être supérieur au pHi de l’AA (en raison de la faible dissociation du carboxyle)

Application/ intérêt :

Titration des acides aminés

Estérification par un alcool

APP; intérêt

Protection temporaire de la fonction α COOH : synthèse protéique

Séparation des AA en phase gazeuse et liquide, en produisant des dérivés esters butyliques, qui sont des liquides distillables

Décarboxylation

Possible par voie chimique ou enzymatique :

Chimique : en présence de Barithe : chauffage Ba (OH)2

Enzymatique : catalysée par les carboxylases qui nécessitent le phosphate de pyridoxal comme coenzyme

Intérêt : Formation de corps à propriétés particulières :Histidine : histamine (vasodilatateur)Tyrosine : tyramine

Dosage des aa par la mesure de CO2 dégagé (ancien procédé)

Propriétés liées à la présence de fonction amine (-NH2)

Ce sont des réactions générales d’amines primaires

Très réactifs : le doublet électronique de l’azote est un puissant nucléophile

Cette réactivité a été utilisée dans l’identification des AA et l’élucidation des structures primaires des protéines

•Amidification•Formation de sels•N-Alkylation et N-Arylation •Réaction avec les aldéhydes •Carbamylation •Formations de composés fluorescentsDansylationAction de la fluorescamine

•Désamination

Amidification :idem COOH

Formation de sels

Application/interet :

In vitro ,cette propriété est utilisée pour bloquer la fonction amine : blocage de la synthèse protéique

•N-Alkylation et N-Arylation (Réaction de Sanger)

Les H peuvent être remplacés par des radicaux

Aliphatiques, obtention des dérivés N-méthylés , N-dimethylés et N-trimethylésAromatiques ,tels que les dérivés dinitrophénylés (DNP)

1-Fluoro-2,4-dinitrobenzène (FDNB)

La substitution d’un H de la fonction NH2 par un groupement aryle (aromatique) conduit à une fonction amine secondaire

Le 1-Fluoro-2,4-dinitrobenzène (FDNB)=réactif de SANGER réagit en milieu alcalin et à chaud avec les fonctions amines par substitution nucléophile,

Le N-2,4-dinitrophenylé est un Composé jaune

Absorbe en UV (365 nm)Facilement identifiable par chromatographie

Application/ interet

•Dosage des AA•Identification de l’N de l’AA terminal dans les proteines

•Elle a permis à FREDERICK SANGER (1953) d’élucider la structure I aire de l’insuline

Réaction avec les aldéhydes (formation d’imines: base de schiff)

Les fonctions amines réagissent réversiblement avec les aldéhydes pour donner des bases de Schiff qui sont labiles La proline qui contient une fonction amine secondaire ne réagit pas avec les aldéhydes

Reaction avec un ose : Réaction de Maillard

App/interet :

In vitro : détection des AA

Carbamylation ( action de PITC : réactif d’EDMAN )

PITC + AA ----------------- PTH – AA

(PITC: phénylisothiocyanate(PTH-AA:phényl-thiohydantoine amine acide

Elle a lieu avec un isocyanate (PITC: phénylisothiocyanate)En milieu alcalin on obtient un dérivé N-phényl thiocarbamylEn milieu acide ce dernier se cyclise en donnant un phényl-thiohydantoine amine acide (PTH-AA)

Le PTH-AA résultant est un :Composés caractéristique de chaque aa (nature du R)StableDétectable dans l’UV ( 245-254nm)

App/interet : PTH est identifiable par HPLC -dosage des aa le PITC est spécifiquement utilisé pour déterminer l’enchainement des aa dans les chaines peptidiques (séquençage)

Formation de composés fluorescents

Dansylation

Le chlorure de dansyle= 1-diméthylamino-naphtalene-5-sulphonique réagit facilement avec les fonctions amines

---- dérivés sulfonamides dansylés fluorescents

Le chlorure de dabsyle à les mêmes propriétés

App/ intérêt : Identification de l’N de l’aa terminal dans les protéinesA supplanté la méthode de SANGER car plus sensible

Action de la fluorescamine La fluorescamine réagit en milieu aqueux et à pH = 8-9 pour former des substances fortement

App /intérêt :

Technique très sensible car permet la détection de quantités d’aa de l’ordre de ng Analyse séquentielle des peptides usés pour la révélation des aa en chromatographie sur couche mince

Désamination par l’acide nitreux :Formation d’un derivé diazoique instable

La mesure de l’azote dégagé dans un appareil gazométrique permet le dosage des aa méthode Van Slyke

Propriétés liées à la présence simultanée des fonctions carboxylique et amine

Décarboxylation et désamination oxydative :Réaction avec la NINHYDRINE

La ninhydrine :

•Composé aromatique•Oxydant•Révélateur des aa•Chauffé en exces avec les aa ,il conduit à un chromophore= pourpe de RUHEMANN (bleu-violet)•Tous les acides aminés sont colorés en pourpre de ruhenmann , sauf la proline,en jaune

Propriétés liées à la présence des chaines latérales

Seules les propriétés caractéristiques de la chaine latérale régissent la réactivité des AA incorporés dans les protéines

3raisons justifient l’etude de ces réactivités :

•Les protéines peuvent être chimiquement modifiées en tenant compte de la réactivité de certaines chaines latérales •La détection et la quantification des AA dépendent de réactions spécifiques à 1 ou plusieurs AA•Les fonctions biologiques des protéines dépendent de la nature et de la réactivité des chaines latérales des AA

Les chaines latérales non réactives :

Les AA concernés sont : Ala , Val (aliphatique) et Phe

Chaines latérales carboxyle

Les aa acides ,ASPARTATE , GLUTAMATE sont transformés en amides ,ASPARAGINE ,GLUTAMINE

Les chaines latérales amines : Le groupement aminé de la LYSINE ,par sa réactivité et son accessibilité à l’extremité de la chaine latérale, est à l’origine de :Condensation des aldoses et cétoses sur les protéines: glycation des protéines (Réaction de MAILLARD)La fixation des coenzymes prosthétiques sur leurs apoprotéinesL’etablissement de liaisons covalentes entre molécules de protéines fibreuses (collagène)

Les chaines latérales Soufrées :

a. Le groupement Thiol (SH) de la cysteineb. Le groupement Thioester de la methionine

a. Le groupement Thiol (SH) de la cystéine

• Nucléophile apte à réagir comme groupement amine : alkylation, acylation et sulfonylation

• Son oxydation permet la formation de ponts disulfure (Protéines)

-CH2-SH + SH-CH2 -- CH2-S-S-CH2

b. Le groupement Thioester de la méthionine :

• In vitro, le bromure de cyanogène (CNBr) réagit avec le soufre d’une méthionine et coupe la chaine polypeptidique à cet endroit

Les chaines latérales alcools et amides : • Peu réactifs • La serine intervient dans des mécanismes

de catalyse enzymatique • La ser , la thr et la tyr sont des sites

potentiels de phosphorylation• La ser ,la thr et l’Asn sont des sites

potentiels de N- et O-glycosylation • L’hydroxyle de la tyrosine donne au noyau

phényle une réactivité assez forte qui favorise les substitutions électrophiles

Les chaines latérales Aromatiques : Le gpt phénolique comporte un oxygène très

réactif,il peut être :Arylé, acylé, sulfonylé

Il peut subir egalement des reactions de : • Nitration• Phosphorylation• Iodation enzymatique : etape importante de

la biosynthese des hormones thyroidiennes T3;T4

Conclusion :• La réactivité chimique des AA est en relation directe

avec la réactivité chimique de ces différents gpts fonctionnels

• 5 réactions fondamentales, directement dépendantes des propriétés chimiques de NH2 (4d’entre elles) et du COOH (ninhydrine) sont fondamentales pour l’analyse quantitative des AA , il s’agit de l'action de FDNB, DNS-Cl ,PITC, Fluorescamine , ninhydrine

• Les chaines latérales (R) et leur fonctionnalité associée déterminent les propriétés biochimiques des AA a l’interieur des protéines