Les Acides Aminés Le Plan 1. Définition 1. 2. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Cas général a-amino-acides Isomérie optique Nomenclatures Propriétés Physico-Chimiques 1. 2. 3. Propriétés physiques Ionisation : propriétés acido-basiques Propriétés spectroscopiques 1. 2. Procédé extractif Synthèse Préparations des a-amino-acides Réactions des a-amino-acides Synthèse peptidique Amino-acides, biologie, médicaments. I. DEFINITION 1. Définition Générale Molécule organique comportant simultanément une ou plusieurs fonctions acides et une ou plusieurs fonctions amines. Carbone a a-Amino-acide Plus de 100 a-amino-acides naturels (700 amino-acides) Constituant des protéines Différent par R et la chiralité II. Isomérie optique Série de réactions de stéréochimie connue CHO HO H CH 2OH L-glyceraldéhyde H 2N H CH 2OH L-sérine COOH COOH COOH H 2N H H 2N R H R L-amino-acides •D,L : Filiation conventionnelle ( Série) •(+), (-) : donnée expérimentale (pouvoir rotatoire) •R,S : règles conventionnelles (configurations absolues) II. Isomérie optique Exemples S COOH L(+)-alanine H 2N H CH 3 COOH L(-)-leucine H 2N S H CH 2CH(CH 3)2 COOH L(-)-cystéine H 2N H SH R III. Nomenclatures III.1 Nomenclature officielle H H3C C 3 2 O 1 NH2 O Alanine :Acide 2-amino-propanoique III.2 Nomenclature usuelle des a-amino-acides R ou S Nom commun H H3C C 3 •R= H ou alhyle •R= aromatique •R = cyclique •R = fonctionalisée 2 O L ou D 1 NH2 O • N primaire •N secondaire • intracycle Aminoacides aliphatiques Gly,G Ala, A Val, V CH H CH3 Leu, L CH2 CH CH3 CH3 Ileu, I CH3 CH3 HC CH2 CH3 CH2 Aminoacides hydroxylés aliphatiques Ser, S CH2 OH Thre, T OH CH CH3 Aminoacides aromatiques Phe, F Tyr, Y Trp, W CH2 CH2 CH2 OH N H Aminoacides soufrés Cys, C CH2 Met, M CH2 CH2 SH S CH3 Aminoacides à caractère basiques Lys, K Arg, R CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 NH CH2 NH3 + C=NH2+ NH2 His, H CH2 C==CH +HN NH C H Aminoacides à caractère acides Asp, D Aminoacides carboxyamidés Asn, N CH2 CH2 C O O- Glu, E CH CH 2 CH 2 CH2 2 C O Gln, Q O- La Proline COO+H 2N C H 2C CH2 CH2 H Hydrophobicité des Acides Aminés Hydrophobicité des Acides Aminés Le caractère hydrophobe ou hydrophile des radicaux des acides aminés qui constituent les protéines repose sur la possibilité pour les atomes de ces radicaux d’échanger des liaisons hydrogène avec l’eau qui entoure la protéine. La cohésion naturelle des molécules d’eau tend à rapprocher les radicaux des acides aminés hydrophobes (« liaison » hydrophobe) et à diminuer la surface de contact entre les domaines hydrophobes de la protéine et l’eau environnante. • Pour montrer cette propriété, plusieurs critères ont été mesurés pour chacun des acides aminés constitutifs des protéines : un indice d’hydrophobie (Kyte and Doolittle) en abcisse et un indice d’hydrophilie (Hopp and Wood) en ordonnées. • Le graphe obtenu illustre très visiblement les groupes d’acides aminés : aliphatiques, soufrés, neutres, aromatiques, acides ou basiques. Hydrophobicité des Acides Aminés Trp, 33.0; Phe, 30.1; Leu, 24.6; Ile, 22.8; Met, 17.3; Tyr, 16.0; Val, 15.0; Pro, 10.4; Cys, 9.1; His, 4.7; Ala, 4.1; Arg, 4.1; Thr, 4.1; Gln, 1.6; Ser, 1.2; Asn, 1.0; Gly, 0.0; Glu,−0.4; Asp, −0.8; and Lys, −2.018 These hydrophobicity coefficients were determined from RP-HPLC at pH 7 (10 mM Na2HPO4 buffer containing 50 mM NaCl) of a model random coil. Polarité des Acides Aminés Polarité des Acides Aminés Le caractère polaire ou apolaire des radicaux des acides aminés qui constituent les protéines est très important pour comprendre la structure et les fonctions de ces radicaux dans les domaines de la protéine et les sites spécifiques qu’ils incluent. L’eau étant un solvant polaire, la polarité des radicaux influence la pénétration des molécules d’eau au sein de la protéine. • Pour montrer cette propriété, plusieurs critères peuvent être pris en compte pour chacun des acides aminés constitutifs des protéines : un indice de polarité (différence d’énergie libre lors du passage d’un solvant apolaire à un solvant polaire) en abcisse et la masse moléculaire en ordonnées. • Le graphe obtenu range les acides aminés d’une manière toute différente de l’image précédente. L’arginine et la lysine apparaissent comme beaucoup plus polaires que les acides aspartique ou glutamique; le glycocolle et l’alanine dont les radicaux sont apolaires, rejoignent les acides aminés aliphatiques bien qu’ils soient beaucoup moins hydrophobes. IV. PROPRIETES PHYSICOCHIMIQUES IV.1 Propriétés physiques • • • • Solides blancs Point de fusion élevé Peu solubles dans les solvants organiques Solubles dans l’eau IV.2 Ionisation Propriétés acido-basiques IV.2 Titration de l’alanine Point isoélectrique 6.02 pKa's = 2.35 et 9.87 Chélation des métaux H COO2+ R C Cu NH 2 Coloration NH 2 COO- R La Liaison Peptidique Liaison peptidique La structure des protéines Chaque protéine est élaborée à partir de 20 “briques élémentaires” : les acides aminés. Une protéine est une combinaison, sous la forme d’une chaîne plus au moins longue et orientée, de ces 20 acides aminés (100 à 200 acides aminés). La séquence des acides aminés d’une protéine constitue la structure primaire de la protéine. 5. Structure secondaire 5.1 l’hélice a : La terminologie hélice "a" n'est basée que sur une classification ancienne, antérieure à la détermination de la structure. L'hélice a est toujours une hélice droite (qui fait tourner dans le sens des aiguilles d'une montre quand on progresse le long de la chaîne principale, pourvu que l'œil soit toujours du côté dont on s'éloigne). Elle contient 3,6 résidus par tour, soit une translation de 5,41 Å par tour. Les atomes sont bien compactés, ce qui est favorable aux interactions de Van der Waals. Dans les protéines, l'hélice a n'est pas toujours exactement celle qui vient d'être décrite. Les angles et sont souvent de -62 et -41 ° respectivement (plutôt que de -57 et -47), ce qui permet que l'oxygène du carbonyle s'écarte de l'axe de l'hélice, la liaison H est encore moins droite, ce qui permet peut-être à l'oxygène de former des liaisons hydrogènes simultanément avec le NH en i+4 et avec l'eau ou d'autres donneurs. Comme toutes les liaisons peptidiques et les liaisons hydrogène sont parallèles, l'hélice a est très polarisée. Son moment dipolaire correspond à une charge de 0.5-0.7 électron sur chaque extrémité (N-terminal négative, C-terminale positive). Caractère hydrophile, amphipathique ou hydrophobe A cause de la régularité de l'hélice a, les résidus sont distribués de façon régulière dans l'espace par rapport à l'axe de l'hélice. Comme un tour complet (360°) est fait pour 3.6 résidus, cela signifie que chaque résidu s'est déplacé de 100° par rapport au précédent. On construit donc la roue suivante qui représente la localisation des différents résidus vus par un oeil qui regarde le long de cet axe. De plus, sur une face donnée, les chaînes latérales se disposent en formant des encombrements répartis de façon régulière (25 et 45°), selon deux directions privilégiées, par rapport à l'axe de l'hélice. Cela a des conséquences sur l'organisation relative de deux (ou plus) hélices.Si tous les résidus (ou la plupart) sont hydrophobes sur une face de l'hélice, l'autre face étant tapissée de résidus hydrophiles, l'hélice a prend un caractère amphiphile qui peut lui permettre de s'associer à d'autres faces hydrophobes (d'hélice a, de membrane, de feuillet b etc. ...). Cette disposition a un effet très fort sur l'assemblage tridimensionnel des protéines. Bien entendu si tous les résidus sont hydrophobes, l'hélice aura la même propriété. Ceci permet de prévoir les séquences transmembranaires hélicoïdales. 5.2 Le feuillet b Le module de base est le brin b, dont la conformation est très étendue, et que l'on peut assimiler à une hélice contenant seulement deux résidus par tour (puisque l'on retrouve la même disposition des résidus tous les deux résidus) et un déplacement de 3.4A° par résidu. Cette conformation n'est pas stable si elle est isolée, car aucune liaison H n'y apparaît. Elle n'est stable que dans les feuillets b, dans lesquels les liaisons H s'établissent entre deux brins b différents soit parallèles soit antiparallèles. Feuillets à brins anti parallèles Feuillets de 4 brins anti parallèles Feuillets de 4 brins parallèles Les dipôles individuels de chaque liaison peptidique sont de plus orientés de façon favorable. Les feuillets antiparallèles sont intrinsèquement plus stables que les parallèles, bien que la nature des résidus puisse inverser cette tendance. Les résidus adjacents dans le même brin sont alternativement sur une face et l'autre du feuillet. Ils n'interagissent pas ensemble. Par contre, des interactions existent entre les chaînes latérales appartenant à deux brins adjacents, ainsi d'ailleurs qu'avec la chaîne principale. La structure des protéines La structure des protéines Des régions de la protéines peuvent adopter 2 formes particulières : hélices ou feuillets. On parle de structure secondaire. La structure tridimensionnelle finale qu'adopte la chaîne d'acides aminés, constitue la structure tertiaire de la protéine. Structure tertiaire d’une protéine Structures secondaires La structure des protéines Plusieurs protéines peuvent s’associer pour former des ensembles complexes. On parle de structure quaternaire. La structure des protéines: exemples High-resolution solution structure of the KSRP KH1 domain. (a) Shown are 901-rotated ribbon representations of the solution structure of the KSRP KH1130–218 domain. The side chain of Ser193 on b3 is shown in yellow. The N-terminal extension folds back to join the antiparallel b-sheet. (b) Superposition of the KH1 Ca trace for the 25 lowest-energy conformers plus the average structure. (Nature)