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Structure des acides aminés

I- Introduction : Ce sont les constituants de bas des protéines.

Il y’a 20 différents acides aminés ou aminoacides, protéinogènes et plus de 300 acides aminés ont été

inventés, que l’on trouve soit à l’état libre (ornithine et la citrulline) soit dans des petits peptides (<20

Acides aminés)

Synthétisés par des micro-organismes ou des végétaux

Les aminosides sont des molécules qui possèdent :

- Une fonction acide carboxylique

- Une fonction amine primaire

Portés par un même atome de carbone ( ) Ce sont des acides aminés.

Ils différent par la nature de la chaine latérale R

Le rôle des acides aminés est multiple :

Structurale : monomères des protéines.

Energétique : substrats énergétiques.

Métabolique : précurseurs plus ou moins directs de molécules d’intérêt biologique.

Fonctionnel : ex : glutamine et transmission de l’influx nerveux.

II- Classification : Les acides aminés protéiques pouvaient être classés :

A) Selon la structure de la chaine latérale R : Qui peut être :

Aliphatique :

Glycine Alanine Valine Leucine Isoleucine

Acides aminés hydroxylés

Sérine Thréonine

Acides aminés soufrés

Cystéine Méthionine

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Diacides et leurs amides :

Acide aspartique Acide glutamique Asparagine

Glutamine

Acides aminés basiques :

Arginine Lysine Histidine

Acides aminés à noyaux aromatique

Phénylalanine Tyrosine Tryptophane

Acides iminés :

Proline

B) Selon la polarité de la chaine latérale R : 1) Polaires

o Non ionisables : sérine, thréonine, asparagine, glutamine cystéine et tyrosine.

o Ionisables : acide aspartique, acide glutamique, lysine, arginine et histidine

2) Non polaire :

Glycolle, alanine, valine, leucine, isoleucine, méthionine, phénylalanine, tryptophane

et proline

Remarque :

La sélénocystéine découvert en dernier lieu, il s’agit de 21 acides aminés protéinognes

Acide aminé essentiels, ce sont la valine, leucine et isoleucine, ainsi que la

phénylalanine, le tryptophane, la lysine, la méthionine et la thréonine d’un

point de vue très strict, seul la lysine et la thréonine sont absolument essentiels

Acides aminés parfois essentiels, dans certaines conditions : grossesse,

croissance histidine et l’arginine devient essentielles.

Semi essentiels : tyrosine et la cystéine (phénylalanines et la méthionine)

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Propriétés physico chimiques des acides aminés

I) Propriétés physiques :

A- Solubilité : Les plus solubles dans l’eau sont les plus petit (glycocolle) ou ceux qui portent des radicaux

mouillables comme , ou (sérine), les acides aminés à long chaine carbonnée sont peu

solubles dans l’eau.

Tous les acides aminés peuvent dans des conditions convenables être obtenus expérimentalement

pures sous forme de cristaux.

B- Activité optique : L’atome de carbone des acides aminés (à l’exception du glycocolle) est un atome de carbone

substitué asymétriquement. Il existe donc 2 stéréo-isomères de configuration, le D-acide aminé et le L-

acide aminé, le carbone est un centre chiral et les 2 stéréo-isomères sont dits énantiomères

En règle générale les acides aminés présents dans les protéines naturelles appartiennent à la série L.

D-Acide aminé L-Acide aminé

C- Propriétés acido basique des acides aminés Les aminoacides ont deux groupements ionisables à PH convenable, ils prennent la forme dipolaire ou

ion mixte

La forme dipolaire peut, en milieu acide accepter un proton ( ) sur le groupement ( ), elle peut

aussi en milieu alcalin perdre un proton ( ) du groupement ( ).

En allant du PH très acide à PH très alcalin, on peut dans la représentation de Bronsted, schématiser

l’évolution des charges.

Tous les acides aminés possèdent un point isoélectrique ou PI, c’est le PH auquel la somme des

charges intramoléculaires d’un acide aminé est nulle.

L’acide aminé apparait à ce PH comme étant neutre, bien qu’il ait au moins deux charges intra

moléculaires réalisant un zwittérion

( ) ( )

Ainsi une courbe de titration, peut être tracée et interpréter en fonction de la variation du PH pour les

acides aminés.

D- Propriétés spectrales : Tous les acides aminés absorbent dans l’ultraviolet ( ) Le dimère de la cystéine et la cystéine absorbent dans la bonde .

Le tryptophane et la tyrosine ont un maximum d’absorption vers .

Cette propriété est utilisée pour qualifier les protéines.

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E- Séparation et identification des acides aminés :

La chromatographie sur résine échangeuse d’ions :

On réalise tout d’abord une solution aqueuse à des acides aminés que l’on désire séparer, à ce

PH la plupart des acides aminés sont sous forme cationique, mais le PK étant différent, ainsi que le

degré d’ionisation de chaque acide aminé.

On verse cette solution en haut d’une colonne rempli d’une résine fortement chargé négativement.

Donc plus l’acide aminé est charger positivement plus il est retenu par cette résine, et plus il migre

lentement, ensuite une technique d’identification est utilisée.

Chromatographie sur couche mince :

Permet de séparer et d’identifier les acides aminés, il existe des techniques bidimensionnelles HPLC.

Electrophorèse :

On fait migrer les acides aminés dans un gel sous l’action d’un champ magnétique et les acides aminés

se séparent en fonction de leur

II) Propriétés chimiques :

A- Propriétés de la fonction carboxylique :

Estérification par un alcool

Formation d’amide (liaison peptidique)

Réaction de décarboxylation

Par voie chimique ou enzymatique donne naissance à une amine

B- Propriétés générales liées au groupe

Le dosage des acides aminés par la méthode de « Van Slyke » :

Fondé sur la mesure de l’azote dégagé :

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Formation d’imine « base de Schiff »

Réaction avec la ninhydrine :

Hypochlorite

Ninhydrine Pourpre de Ruhuman +

Formation de la liaison peptidique :

Dipeptide

C- Propriétés de la chaine latérale : Ces propriétés sont celles des fonctions , , ….

La fonction alcool de la sérine et la thréonine, ainsi que la fonction phénol de la tyrosine, peuvent être

estérifiés, au particulier par l’acide phosphorique (protéines)

La cystéine peut être oxydée en cystine :

III) Propriétés biologiques : Les rôles des acides aminés sont variés, leur fonction essentielle est d’entrer dans la

composition des protéines grâce à la synthèse protéique et peptidique

Quand le régime apporte trop d’acides aminés, ces dernier perdent leur fonction amine et son

transformés en glucides et lipides qui sont mis au réserve.

Il n’y a pas de réserve en acides aminés, bien que les protéines musculaires peuvent être

catabolisées et fournir ainsi des acides aminés quand le régime n’en apporte pas (dénutrition).

Certains acides aminés sont les précurseurs de substance ayant un intérêt métabolique.

Choline à partir du glycocolle ou la créatine

Adrénaline et les hormones thyroïdiennes qui dérivent de la tyrosine

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Les peptides

1) Définition, généralités : La réaction du groupe carboxylique d’un acide aminé avec le groupement aminé d’un autre acide

aminé, permet de former un amide secondaire.

Cette liaison, s’appelle liaison peptidique, permettant la formation d’une dipeptide, une chaine de 2 à

10 acides aminés et u oligopeptide.

Des chaines de 10 à 100 acide aminé : polypeptide

Les chaines encore plus longues sont désignées comme des protéines.

Le peptide possède, 2 extrémités N et C terminales, il est important pour la nomenclature de

commencer par l’extrémité N terminale.

Le nom du peptide commence par l’acide aminé N terminale affecté du suffixe « yl » puis le suivant

avec le même suffixe, jusqu’au dernier acide aminé, à l’extrémité C-terminale qui garde son nom

complet.

Ex : glutamate, histidine et proline, leur peptide porte le nom systématique glutamyl-histidyl-proline.

Les rôles sont nombreux, mais on peut citer :

Rôle hormonal

Rôle messager chimique local para hormone

Généralement l’action biologique est courte, les peptides étant très vite dégradés pour des peptides.

2) Liaison peptidique :

Aminoacide 1 aminoacide 2 liaison peptidique

On dit que la liaison peptidique a les caractéristiques d’une double liaison partielle, ce qui a trois

conséquences.

- La distance entre les atomes de C et de N sont plus petite que dans une liaison simple, mais

plus grande que dans une vrai double liaison.

- La libre rotation habituelle autour d’une simple liaison est perdue, ce qui a une grande

importance pour la conformation des protéines.

- La liaison peptidique est située dans un plan, c’est-à-dire que les atomes qui participent à cette

liaison ( ) se trouvent dans un même plan avec une disposition trans.

3) Propriétés physiques : Les peptides sont d’autant plus solubles dans l’eau qu’ils sont plus petits et contiennent d’avantage

d’acide aminé hydrophile. (Sérine, acide aspartique ….)

- Ils sont dialysable

- Ils sont chargés : ils contiennent un groupement (aminoterminale) et un groupement

(C-terminal) et des groupements ionisables sur les chaines latérales des résidus acides

aminés

- Ils se comportent comme un ion dipolaire et peuvent migrer dans un champ électrique.

- Ils absorbent la lumière dans l’ultraviolet ( a ou à s’ils contiennent un

acide aminé aromatique

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4) Propriétés chimiques : Les peptides présentent les réactions chimiques de radicaux portés par les chaines latérales des résidus

d’acides aminés (les fonctions alcool peut être estérifiée par un phosphate ou un sulfate)

Si le peptide contient un résidu de cystéine il peut former une liaison : pont disulfure.

Le plus petit peptide donne la même réaction que les acides aminés avec la minhydrine.

- La biuret réagit avec les peptides contenant plus de 4 acides aminés.

- Hydrolyse de la liaison peptidique en présence de .

5) Propriétés biologiques : La plus part des peptides sont formés comme les protéines par le système de synthèse protéique.

Certains peptides de petite taille se forment par réaction directe entre acides aminés grâce à la

peptidyltransférase

Hydrolyse enzymatique des peptides se fait par les peptidases (digestive) le rôle le plus important, est

la fonction hormonale.

Remarque :

Peptides antibiotiques :

Tous les pénicillines contiennent la qui est la dérivé du diéthyle de la A l’heure actuelle un grand nombre d’antibiotiques utilisés en thérapeutique sont de peptides

synthétisés en laboratoire.

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Les protéines

I- Structure : Les protéines sont des macromolécules non dialysables, constitues des séquences d’acides aminés

réunis par des liaisons peptidiques et permettant des structure tridimensionnelles complexe : structure

primaire, secondaire, tertiaires et quaternaire

- Une haloprotéine est une protéine dont l’hydrolyse fournit que des acides aminés.

- Une hétéroprotéine est une protéine dont l’hydrolyse fournit des acides aminés et d’autres

molécules différentes après leur hydrolyse.

On appelle famille protéique un groupe de protéines présentent entre elles une analogie structurale et

fonctionnelle.

On peut citer :

- La famille des hémoglobines.

- Des cytochromes.

Le terme protéine provient de mot grec « protos » qui signifie primer, à fin de montrer l’importance

primordiales de ces molécules

La simple énumération des fonctions protéique permet de comprendre leur intérêt (enzymes,

l‘immunoglobulines …).

On les classe encore selon leur forme globale.

- Les protéines fibreuses : insolubles dans l’eau remplaçant des fonctions structurales ou

protectrices (kératine, collagène …)

- Les protéines mixtes : micro globuline, mi fibreuse (myosine).

II- Propriétés des protéines : (globulaires) A- Masses molaires et dimensions :

La masse moléculaire s’échelonne de 10KDa à plusieurs millions.

On utilise souvent la masse moléculaire d’une protéine comme élément caractéristique servant à la

définition ou à la nommer ex : P47 c’est une protéine de 47KDa

B- Caractère amphotère des protéines :

On peut décrire leur caractère amphotère comme on l’a fait pour les acides aminés, avec un degré de

complexité plus élevé e raison du plus grand nombre de charge mis en jeu.

Cation ( ) ion amphotère anion ( ) C- La solubilité :

La solubilité d’un composé est la quantité maximale du composé qui peut se dissoudre dans un litre de

solvant considéré.

La solubilité des protéines dépend de certains paramètres :

- Influence de la concentration en électrolytes de la solution sur la solubilité

- Influence du PH sur la solubilité des protéines

Zone d’insolubilité

Zone solubilité

5 6 7 8

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- Influence des solvants organiques ou la solubilité des protéines : les alcools méthyliques,

l’acétone précipitent les protéines

D- Absorption de la lumière par les solutions protéiques :

Les solutions protéiques ont un aspect d’absorption caractéristique dans l’UV

E- Fixation des colorants par les protéines :

Les protéines fixent des colorants par des liaisons non covalentes plus ou moins spécifiques (noir

d’amide, bleu de comasie…)

F- Réaction du biuret :

Permet le dosage des protéines, c’est le sulfate de cuivre en milieu alcalin puis va réagir avec les

protéines en donnant une coloration

III- Hétéroprotéine globulaire : - Les phosphoprotéines : ex : Kinases

- Sulfoprotéines : ( ) ex : nidogène (membrane basale)

- Glycoprotéines : immunoglobulines

- Lipoprotéines : VLDL, HDL ….

- Les métaloprotéines : ex : calmoduline => .

- Chromoprotéines : ex : hémoglobine, cytochrome ….

IV- Protéines fibrillaires : - Les fibres sont le résultat d’agrégats ordonnés de molécules élémentaires qui ont toutes une

seule structure secondaire (hélice ou feuillet).

- Les kératines : la structure secondaire majoritaire et l’hélice : Les kératines dures : scléroprotéines : ongles, cheveux, bec ….

Les kératines molles : cytokératine

- Collagène :

Un quart de la masse protéique totale d’un mammifère est constitué de collagène. C’est la

principale protéine de la matrice extracellulaire du tissu conjonctif

- Elastine :

Fait partie de la matrice extracellulaire, synthétisés, par les fibroblastes

- Fibroïne :

- Principale protéine e la soie, elle est très solide quasiment inextensible.

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Structure tridimensionnelle des protéines :

Introduction : Dans l’organisme les protéines ne se trouve pas sous forme de chaine linéaire mais sous forme de

complexe structural tridimensionnel désigné sous le terme de conformation (structure primaire,

secondaire, tertiaire et quaternaire)

La structure tridimensionnelle des protéines globulaire renseigne sur la relation structure-activité

Structure primaire La structure primaire décrite la séquence des acides aminés à l’intérieur de la chaine peptidique, cette

séquence est fixée et traduit l’information contenue dans le gène qui code cette protéine.

As-As-AS-AS

Protéine

Structure secondaire : Une chaine d’acides aminés possède au niveau des liaisons peptidique de nombreux groupements –

CO- et –NH- ceux-ci peuvent établir en eux dans l’espace des liaisons hydrogène et former une

structure secondaire.

Les structures secondaires les plus fréquentes sont l’hélice et le feuillet plissé

Hélice :

La chaine polypeptidique, une forme hélicoïdale. Il s’agit donc de liaisons hydrogènes

intramoléculaires.

Hélice formée d’acides aminés de la série L, s’enroule toujours vers la droite

Feuillet plissé :

Découverte après hélice par Bauling et Corey la chaine peptidique se trouve sous forme de

polyoside en zigzag

Le fragment peptidique d’une chaine peut établir des liaisons avec un fragment d’une autre chaine

parallèle ou antiparallèle

Remarque :

En gros la moitié des résidus d’une protéine globulaire typique se trouve sous forme d’hélice et de

feuillet .

L’autre moitié adopte des conformations en boucle tour coud et d’autres conformations. On qualifie

tour et coud comme de petits segments d’acides aminés faisant la jonction entre deux unités de

structure secondaire.

Gène

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Structure tertiaire : La structure tertiaire décrit la structure tridimensionnelle d’une protéine et se forme à la suite de

distorsions de structure secondaires

La structure d’ensemble est stabilisée dans l’espace est stabilisée dans l’espace par des liaisons

convenables (ponts disulfures) et des liaisons non covalente (liaisons hydrogène et des interactions

ioniques

Remarque :

L’angle de rotation au tour de liaison est appelé angle phi et représenté par ( )celui au tour de la

liaison est appelé angle psi . La représentation de Ramachandran établi les probabilités de

combinaisons de ces rotations

Structure quaternaire: Plusieurs sous-unités tridimensionnelles (structures tertiaires) s’assemblent pour former des unités

fonctionnelles beaucoup plus grandes (enzymes, ribosomes et des fibres protéiques).

L’hémoglobine est un exemple, transporteur d’oxygène, possède une structure quaternaire, formée de

quatre sous-unités (2 et 2 dans l’hémoglobine majoritaire chez l’adulte).

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Méthode de préparation purification et fractionnement des protéines

I- Introduction : La préparation à l’état pur d’une protéine comporte plusieurs étapes c’est l’empirisme qui procède à

l’élaboration d’une méthode de purification, il existe 2 critères d’évaluation :

- Le degré de purification

- Le rendement

II- Techniques de purification : Nécessite des conditions opératoires très rigoureuses : température, nature des solvants, PH, force

ionique, ….

Quelque techniques, sont énumérés ci-dessous :

- Dialyse

- Lyophilisation

- Utilisation de solutions salines

- Utilisation des solvants organiques

- Méthodes chromatographiques : chromatographie d’absorption, chromatographie sur

échangeuse d’ions …

- Méthodes électro phorétique : électrophorèse en veine liquide, électrophorèse de zone, électro

focalisation

III- Détermination de la structure des protéines :

A) Structure primaire : Le progrès de la biologie moléculaire diminue l’importance protéique de la détermination complète de

la séquence des protéines

Les méthodes chimiques restent utiles pour vérifier les données obtenues par les méthodes de la

biologie moléculaire, mais aussi par ce qu’elles permettent d’obtenir la structure de la protéine mature

(protéine fonctionnelle).

Sanger a été le premier à déterminer la séquence d’un polypeptide.

L’utilisation mature compote une chaine A de 21AA et une chaine B de 30 résidus, reliée par des

ponts disulfures

Sanger a réduit ces ponts, séparé les chaines A et B et coupé chacune es chaines en peptides plus petits

à l’aide de la trypsine, chymotrypsine et de pepsine, les peptides obtenu ont été isolés et traités par un

acide afin de générer des peptides ne comportent plus que 2 ou 3 acides aminés.

Chaque peptide a été traité par 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène qui réagit avec le groupement -aminé

accessible des résidus de l’extrémité amine terminale.

En appliquant la méthode de façon récursive a des fragments de plus en plus grand, Sanger a pu

déterminés la séquence complète de l’insuline (Prix Nobel en 1958)

Réaction d’Edman : Utilisant le phénylthiohydratoïne (PTH) les 20 à 30 premier résidus d’un peptide sont faciles à

déterminer par la méthode d’Edman, la plus part des polypeptides nécessitant un découpage en

préalable.

Après clivage les peptides obtenus sont purifiés par HPLC avant de les séquencer

Spectrométrie de masse : A remplacer le séquençage d’Edman, elle est également performante pour déterminer les

modifications post-traductionnelles des protéines.

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IV- Les autres niveaux structuraux : Des structures secondaires et tertiaires peuvent être obtenues à partir de la séquence des acides aminés

par de complexes méthodes de calcules disponible sur internet et permettant une modélisation des

structures. Elles peuvent être confirmées par des méthodes physiques en particulier la diffraction des

rayons X et la résonance magnétique nucléaire.

Ces méthodes permettent d’obtenir la forme de la molécule protéique et de localiser d’éventuels

groupements non protéiques

La plupart des protéines étant des hétéroprotéines, parmi ces dernier, on peut séparer les

glycoprotéines contenant des chaines glucidiques fixés sur les chaines latérales de serine ou thréonine

(O-glycosylation), d’asparagine (N-glycosylation)

D’autres protéines contiennent un groupement prosthétique par exemple l’hème (hémoprotéine). En

fin certaines glycoprotéines, les Apo lipoprotéines font partie du complexe lipoprotéique

On est souvent amené à définir le caractère hydrophile ou hydrophobe de certaines partie des

molécules protéiques, par le calcul de l’index d’hydrophile des acides aminées, cette méthode a permis

de définir l’existence de segments hélicoïdaux transmembranaires des récepteurs de la membrane

plasmique.