Revision sheet: Acides aminés

📋 Plan du Cours

1. Structure commune des acides aminés
2. Acides aminés standards et non standards
3. Nomenclature et acides aminés particuliers
4. Classification des acides aminés
5. Rôles biologiques et métabolisme
6. Solubilité et stéréoisomérie
7. Stéréochimie des acides aminés
8. Pouvoir rotatoire et chiralité
9. Amphotérie et ionisation
10. Point isoélectrique
11. Séparation et détection

📖 1. Structure commune des acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction acide carboxylique : Un groupement donneur de proton constitué d’un carbone portant un oxygène en double liaison et un groupe hydroxyle, et elle est déprotonée en carboxylate COO⁻ à pH physiologique.
• Fonction amine primaire : Un groupement basique dans lequel l’azote est lié à deux hydrogènes et à un seul carbone, et elle devient NH₃⁺ à pH physiologique après capture d’un proton.
• Groupement latéral R : Le substituant variable du carbone α qui différencie les 20 acides aminés standards et détermine leur taille, leur polarité, leur charge et leur réactivité chimique.
• Forme zwitterion : La forme zwitterionique est la forme physiologique de référence dans laquelle l’acide aminé porte simultanément COO⁻ et NH₃⁺, avec une charge globale neutre mais deux charges internes opposées.

★ À maîtriser

• La glycine est le seul acide aminé standard non chiral, car son groupement R est un hydrogène et le carbone α porte alors deux substituants identiques.

Compléments

• Le carbone α est le carbone n°2, car le carbone du groupement carboxyle est numéroté 1.

💡 Astuce mémo

COO⁻ négatif, NH₃⁺ positif

📖 2. Acides aminés standards et non standards

★ À maîtriser

• Les 20 acides aminés protéinogènes standards sont codés par le génome et incorporés par les ribosomes lors de la synthèse protéique.

• Les acides aminés non constitutifs n’entrent jamais dans la composition des protéines et peuvent être de type α ou non-α, comme l’homocystéine, l’ornithine, la citrulline, la β-alanine et le GABA.

• Chez l’homme, il existe 21 acides aminés α-aminés standards, correspondant aux 20 classiques plus la sélénocystéine.

Compléments

• Après leur incorporation dans une protéine, certains acides aminés standards subissent des modifications post-traductionnelles telles que des clivages ou l’ajout de phosphates, sucres, méthyles ou hydroxyles.

• La sélénocystéine possède un groupement SeH à la place du groupement SH de la cystéine, et ses codes sont Sec à trois lettres et U à une lettre.

• Dans certains contextes, le codon UGA normalement stop est recodé pour incorporer une sélénocystéine au lieu d’arrêter la traduction.

📖 3. Nomenclature et acides aminés particuliers

🔑 Notions clés & Définitions

• Proline : Possède une chaîne latérale qui se referme sur l’azote de l’amine du carbone α pour former un cycle à cinq atomes et transformer l’amine primaire en amine secondaire.

★ À maîtriser

• Le code à trois lettres correspond généralement aux trois premières lettres du nom de l’acide aminé, mais l’isoleucine est codée Ile et non Iso.

• Les codes à une lettre sont généralement les initiales des acides aminés, avec notamment Y pour la tyrosine, N pour l’asparagine, W pour le tryptophane et F pour la phénylalanine.

• Les huit acides aminés essentiels sont la leucine, la thréonine, la lysine, le tryptophane, la phénylalanine, la valine, la méthionine et l’isoleucine, et doivent être apportés par l’alimentation.

Compléments

• L’arginine et l’histidine sont semi-essentielles, car l’organisme peut les synthétiser mais parfois en quantité insuffisante, notamment chez l’enfant ou dans certains états pathologiques.

• La pyrrolysine est un acide aminé rare codé Pyl et O, présent chez certaines archéobactéries méthanogènes, mais elle n’est pas comptée parmi les acides aminés standards humains.

📖 4. Classification des acides aminés

★ À maîtriser

📌 Les acides aminés aliphatiques possèdent une chaîne latérale R non cyclique, linéaire ou ramifiée, contrairement aux acides aminés cycliques.

• Les acides aminés ramifiés alanine, valine, leucine et isoleucine possèdent une chaîne latérale hydrocarbonée et sont apolaires et hydrophobes, l’isoleucine étant particulièrement apolaire.

📌 L’aspartate et le glutamate sont des acides dicarboxyliques chargés négativement à pH physiologique, tandis que l’asparagine et la glutamine sont leurs amides correspondantes, polaires mais non chargées.

📌 Les neuf acides aminés apolaires sont la glycine, l’alanine, la valine, la leucine, l’isoleucine, la méthionine, la phénylalanine, le tryptophane et la proline, tandis que les acides aminés acides sont l’aspartate et le glutamate.

• À pH 7, l’histidine est majoritairement déprotonée car le pKa de son imidazole est 6,0, mais elle reste classée parmi les acides aminés basiques selon son point isoélectrique global.

Compléments

• La classification par nombre de carbones répartit les acides aminés en glycine à C2, alanine-sérine-cystéine à C3, thréonine-asparagine-aspartate à C4, valine-méthionine à C5 et leucine-isoleucine-lysine à C6.

• La sérine et la thréonine portent un groupement hydroxyle, qui peut subir des phosphorylations et des O-glycosylations post-traductionnelles.

• La cystéine porte un thiol oxydable et la méthionine est le premier acide aminé incorporé lors de la traduction grâce au codon initiateur AUG.

• Les acides aminés aromatiques phénylalanine, tyrosine et tryptophane contribuent à l’absorption ultraviolette des protéines à 280 nm.

📖 5. Rôles biologiques et métabolisme

★ À maîtriser

• L’ordre d’enchaînement des acides aminés dans la structure primaire détermine la structure tridimensionnelle finale et donc la fonction de la protéine.

• L’histidine est le précurseur de l’histamine par décarboxylation, et le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central.

• Il n’existe pas de réserve d’acides aminés comparable au glycogène ou aux triglycérides, mais le pool d’acides aminés libres représente environ 70 g et se renouvelle constamment.

• L’oxydation d’environ 80 g d’acides aminés par jour produit du CO₂ à partir du squelette carboné, du NH₄⁺ lors de la désamination et finalement de l’urée synthétisée par le foie.

Compléments

• Les acides aminés peuvent fournir de l’énergie par oxydation, notamment lorsque l’apport en glucides est insuffisant.

• Le renouvellement quotidien des protéines est d’environ 300 g pour une masse protéique totale d’environ 10 kg, ce qui traduit le caractère dynamique du protéome.

• La phénylcétonurie nécessite un régime pauvre en phénylalanine afin d’éviter l’accumulation toxique de cet acide aminé mal métabolisé.

• La mélanine est synthétisée à partir de la tyrosine, et un défaut de l’enzyme de cette voie provoque un albinisme avec une peau et des cheveux très clairs.

📖 6. Solubilité et stéréoisomérie

🔑 Notions clés & Définitions

• Solubilité des acides aminés : Les acides aminés sont solubles dans les solvants polaires grâce aux fonctions ionisées NH₃⁺ et COO⁻, mais peu ou pas solubles dans les solvants apolaires qui ne stabilisent pas ces charges.
• Stéréoisomérie : Des acides aminés provient généralement de la chiralité du carbone α et produit deux énantiomères, images l’un de l’autre dans un miroir et non superposables.

★ À maîtriser

• Tous les acides aminés constitutifs des protéines humaines appartiennent à la série L, tandis que des formes D existent notamment dans les parois bactériennes et certains peptides antibiotiques.

• L’isoleucine possède quatre stéréoisomères possibles et la forme présente dans les protéines humaines est configurée 2S,3S, tandis que la thréonine humaine est configurée 2S,3R.

Compléments

• À pH physiologique, la glycine est beaucoup plus soluble dans l’eau que la leucine, car une chaîne latérale plus hydrophobe diminue la solubilité aqueuse.

• En milieu acide, la tyrosine, la leucine et la cystine sont peu solubles, et la cystine peut précipiter lors de l’hydrolyse acide d’une protéine.

• Les autres stéréoisomères de l’isoleucine et de la thréonine sont appelés allo-isoleucine et allo-thréonine et ne sont pas incorporés dans les protéines humaines.

• La force ionique du milieu peut augmenter ou diminuer la solubilité d’un acide aminé par salting-in ou provoquer sa précipitation par salting-out.

• Une molécule chirale qui dévie le plan d’une lumière polarisée vers la droite est dite dextrogyre et notée (+).

📖 7. Stéréochimie des acides aminés

★ À maîtriser

• L'isoleucine présente dans les protéines humaines la configuration 2S,3S, correspondant à une configuration S des carbones α (C2) et β (C3).

• La thréonine présente dans les protéines humaines a la configuration 2S,3R et son groupement hydroxyle est à droite du C3 en projection de Fischer.

Compléments

• La numérotation d'un acide aminé commence au carbone du groupement carboxyle C1, se poursuit par le carbone α C2 portant la fonction amine, puis par le carbone β C3, premier carbone de la chaîne latérale.

📖 8. Pouvoir rotatoire et chiralité

🔑 Notions clés & Définitions

• Pouvoir rotatoire : La capacité d'une molécule chirale en solution à dévier le plan de polarisation d'une lumière polarisée linéairement.

★ À maîtriser

• Une molécule dextrogyre (+) dévie la lumière vers la droite dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis qu'une molécule lévogyre (−) la dévie vers la gauche.

📌 La série D/L décrit la configuration absolue du carbone α en projection de Fischer, tandis que les signes (+)/(−) décrivent le comportement optique mesuré expérimentalement et ne sont pas prévisibles à partir de D/L.

Compléments

• La L-alanine est dextrogyre L(+) alors que la L-leucine est lévogyre L(−).

• Un mélange racémique équimolaire contenant 50 % de chaque énantiomère n'a pas de pouvoir rotatoire net, car les déviations opposées se compensent, et la glycine achirale n'a pas non plus de pouvoir rotatoire.

• Le polarimètre mesure l'angle de déviation et quantifie le pouvoir rotatoire spécifique d'une molécule chirale en solution.

📖 9. Amphotérie et ionisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Ampholyte : Un acide aminé est un ampholyte, ou amphotère, car il possède à la fois des fonctions acides donneuses de H⁺ et des fonctions basiques accepteurs de H⁺.

★ À maîtriser

• En milieu très acide, l'acide aminé est un cation de charge nette +1 avec les formes −COOH et −NH₃⁺ ; à pH intermédiaire, il est un zwitterion de charge nette 0 avec −COO⁻ et −NH₃⁺ ; en milieu basique, il est un anion de charge nette −1 avec −COO⁻ et −NH₂.

• Le pK₁ de la fonction carboxylique α est typiquement d'environ 2,1, tandis que le pK₂ de la fonction ammonium α est d'environ 9,8.

📌 Un acide aminé n'existe jamais sous forme totalement neutre NH₂/COOH en solution aqueuse, car au moins un groupement est chargé à tout pH.

Compléments

📐 Formule — Les deux dissociations successives sont $R{-}COOH \rightleftharpoons R{-}COO^- + H^+$ et $R{-}NH_3^+ \rightleftharpoons R{-}NH_2 + H^+$.

📌 Lorsque le pH est égal au pK d'un couple acide-base, les formes protonée et déprotonée sont présentes à 50 % chacune et le pouvoir tampon est maximal.

• Les pKR des chaînes latérales sont d'environ 8,3 pour la cystéine, 10,1 pour la tyrosine, 6,0 pour l'histidine et 12,5 pour l'arginine.

💡 Astuce mémo

Cation → zwitterion → anion

📖 10. Point isoélectrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Point isoélectrique : PHi est le pH auquel la charge globale moyenne d'un acide aminé est nulle et où la forme zwitterion est majoritaire.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un acide aminé sans chaîne latérale ionisable, le point isoélectrique vérifie $pH_i = \frac{pK_1+pK_2}{2}$.

📐 Formule — Pour un acide aminé à chaîne latérale acide comme l'aspartate ou le glutamate, le point isoélectrique vérifie $pH_i = \frac{pK_1+pK_R}{2}$.

📐 Formule — Pour un acide aminé à chaîne latérale basique comme la lysine ou l'arginine, le point isoélectrique vérifie $pH_i = \frac{pK_R+pK_2}{2}$.

Compléments

• La glycine a un pHi d'environ 5,97, calculé avec pK₁ = 2,34 et pK₂ = 9,60.

• L'aspartate a un pHi d'environ 2,98, calculé avec pK₁ = 2,09 et pKR = 3,86, tandis que la lysine a un pHi d'environ 9,74, calculé avec pK₂ = 8,95 et pKR = 10,53.

💡 Astuce mémo

Acides : pK acides ; bases : pK basiques

📖 11. Séparation et détection

★ À maîtriser

• En ionophorèse, les anions migrent vers l'anode positive et les cations vers la cathode négative ; le sens dépend du rapport entre le pH du tampon et le pHi de l'acide aminé.

📌 Si le pH du tampon est inférieur au pHi, l'acide aminé est cationique et migre vers la cathode ; si le pH est supérieur au pHi, il est anionique et migre vers l'anode ; si pH = pHi, il ne migre pas.

📐 Formule — La vitesse de migration augmente avec l'écart absolu entre le pH du tampon et le pHi, selon la relation qualitative $v \propto |pH-pH_i|$.

• Tous les acides aminés absorbent sous 230 nm, tandis que la phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane absorbent spécifiquement grâce à leur chaîne aromatique vers 280 nm.

• À chaud, la ninhydrine réagit avec les amines primaires pour former le pourpre de Ruheman, absorbant à 570 nm, dont l'intensité est proportionnelle à la concentration en acide aminé.

• Le DNFB de la méthode de Sanger se fixe covalemment sur l'amine libre pour former un DNP-acide aminé jaune dosable à 420 nm, tandis que le chlorure de dansyle forme un dérivé fluorescent environ 100 fois plus sensible.

• La chromatographie échangeuse d'ions utilise une résine négative qui retient les acides aminés cationiques à pH acide, puis les élue par augmentation progressive du pH et de la force ionique.

• Dans un aminoacidogramme, chaque acide aminé est identifié par son temps d'élution et la surface de son pic est proportionnelle à sa quantité.

Compléments

• À pH 6,5, la glycine migre très peu vers l'anode, l'aspartate migre nettement vers l'anode et la lysine migre vers la cathode.

• La phénylalanine absorbe faiblement vers 260 nm, la tyrosine moyennement vers 275 nm et le tryptophane fortement vers 280 nm, ce dernier contribuant majoritairement à l'absorbance UV des protéines.

📌 La proline, qui possède une amine secondaire cyclique, réagit avec la ninhydrine en formant un produit jaune absorbant à 440 nm au lieu du pourpre de Ruheman.

• Sur une résine échangeuse de cations, les acides aminés acides sont élués en premier, les neutres ensuite et les basiques en dernier.

• En HPLC en phase inverse, les acides aminés les plus polaires sortent en premier et les plus hydrophobes, notamment la phénylalanine, le tryptophane, la leucine et l'isoleucine, sortent en dernier.

📊 Tableaux de synthèse

Catégories de polarité des acides aminés

Catégorie	Acides aminés	Propriété à pH 7
Apolaires	Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro	Hydrophobes et non chargés
Polaires non chargés	Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr	Liaisons hydrogène sans charge nette
Acides	Asp, Glu	Charge négative
Basiques	Lys, Arg, His	Charge positive variable, His peu chargée

Relation pH-pHi et migration

Condition	Charge de l'acide aminé	Migration
pH < pHi	Positive	Cathode
pH = pHi	Nulle	Aucune
pH > pHi	Négative	Anode