Acides aminés et protéines — Cours PASS complet 🧬
Structure, classification, propriétés acido-basiques, liaison peptidique et niveaux de structure
Structure générale
Chiralité
Classification des 20 AA
Propriétés acido-basiques
Point isoélectrique
Propriétés physiques
Liaison peptidique
Structure primaire
Structure secondaire
Structure tertiaire
Structure quaternaire
Modifications post-traductionnelles
Exercices
FAQ
1. Structure générale d’un acide aminé ⚛️
Un acide aminé (AA) est une molécule organique portant sur le même carbone (carbone α) :
— Un groupement amine (–NH₂, sous forme –NH₃⁺ à pH physiologique).
— Un groupement acide carboxylique (–COOH, sous forme –COO⁻ à pH physiologique).
— Un atome d’hydrogène (–H).
— Une chaîne latérale R (ou résidu), variable, qui détermine l’identité et les propriétés de l’acide aminé.
À pH physiologique (7,4), un acide aminé libre existe sous forme de zwitterion (ion dipolaire) : le groupement amine est protoné (–NH₃⁺) et le groupement carboxylique est déprotoné (–COO⁻). La charge nette globale est nulle (à pH = pI).
Il existe plus de 300 acides aminés dans la nature, mais seuls 20 sont protéinogènes (codés par le code génétique et incorporés dans les protéines lors de la traduction). On y ajoute parfois la sélénocystéine (21e) et la pyrrolysine (22e), codées dans des cas particuliers.
2. Chiralité des acides aminés ✋
Le carbone α porte 4 substituants différents (sauf pour la glycine, où R = H → Cα n’est pas asymétrique). Tous les autres AA possèdent un carbone asymétrique et existent sous deux énantiomères (D et L).
En biologie, seuls les acides aminés de la série L sont incorporés dans les protéines. En projection de Fischer : la chaîne principale est verticale (–COO⁻ en haut, –R en bas), et le groupement –NH₃⁺ est à gauche pour la série L.
Deux acides aminés possèdent un deuxième centre chiral (carbone β) : la thréonine et l’isoleucine. Ils existent donc sous 4 stéréoisomères (2 paires d’énantiomères). Les formes naturelles sont la L-thréonine et la L-isoleucine ; les épimères sont appelés L-allo-thréonine et L-allo-isoleucine.
3. Classification des 20 acides aminés 📋
La classification la plus utilisée en PASS repose sur les propriétés de la chaîne latérale R :
3.1 Chaînes latérales apolaires (hydrophobes)
| AA | Code 3 | Code 1 | Chaîne latérale |
|---|---|---|---|
| Glycine | Gly | G | –H (le plus petit AA, pas de C*) |
| Alanine | Ala | A | –CH₃ |
| Valine | Val | V | –CH(CH₃)₂ (ramifié) |
| Leucine | Leu | L | –CH₂–CH(CH₃)₂ (ramifié) |
| Isoleucine | Ile | I | –CH(CH₃)–CH₂–CH₃ (ramifié, 2 C*) |
| Proline | Pro | P | Cycle pyrrolidine (amine secondaire, imino-acide) |
| Méthionine | Met | M | –CH₂–CH₂–S–CH₃ (soufré) |
3.2 Chaînes latérales aromatiques
| AA | Code 3 | Code 1 | Chaîne latérale |
|---|---|---|---|
| Phénylalanine | Phe | F | –CH₂–C₆H₅ (benzyle, apolaire) |
| Tyrosine | Tyr | Y | –CH₂–C₆H₄–OH (phénol, phosphorylable) |
| Tryptophane | Trp | W | Noyau indole (le plus gros AA) |
3.3 Chaînes latérales polaires non chargées
| AA | Code 3 | Code 1 | Chaîne latérale |
|---|---|---|---|
| Sérine | Ser | S | –CH₂–OH (hydroxyle, phosphorylable) |
| Thréonine | Thr | T | –CH(OH)–CH₃ (hydroxyle, 2 C*) |
| Cystéine | Cys | C | –CH₂–SH (thiol, pont disulfure) |
| Asparagine | Asn | N | –CH₂–CONH₂ (amide de l’aspartate) |
| Glutamine | Gln | Q | –CH₂–CH₂–CONH₂ (amide du glutamate) |
3.4 Chaînes latérales chargées négativement (acides, à pH 7,4)
| AA | Code 3 | Code 1 | Chaîne latérale | pKa R |
|---|---|---|---|---|
| Acide aspartique | Asp | D | –CH₂–COO⁻ | 3,9 |
| Acide glutamique | Glu | E | –CH₂–CH₂–COO⁻ | 4,1 |
3.5 Chaînes latérales chargées positivement (basiques, à pH 7,4)
| AA | Code 3 | Code 1 | Chaîne latérale | pKa R |
|---|---|---|---|---|
| Lysine | Lys | K | –(CH₂)₄–NH₃⁺ (ε-amine) | 10,5 |
| Arginine | Arg | R | –(CH₂)₃–NH–C(=NH)–NH₂⁺ (guanidinium) | 12,5 |
| Histidine | His | H | Noyau imidazole | 6,0 |
3.6 Acides aminés essentiels
9 AA sont essentiels chez l’humain adulte (non synthétisés, apportés par l’alimentation) : His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val. Moyen mnémotechnique : « Le Très Lyrique Tristan Fait Vachement Marcher Isolde l’Hystérique ».
4. Propriétés acido-basiques 🔬
4.1 Ionisation des AA
Chaque acide aminé libre possède au minimum 2 groupements ionisables : le –COOH (pKa ≈ 2,0) et le –NH₃⁺ (pKa ≈ 9,5). Certains AA possèdent un 3e groupement ionisable sur la chaîne latérale (Asp, Glu, Cys, Tyr, His, Lys, Arg).
À pH très acide (pH < 1) : toutes les fonctions sont protonées → charge nette maximale positive.
À pH très basique (pH > 12) : toutes les fonctions sont déprotonées → charge nette maximale négative.
À pH physiologique (7,4) : le –COOH est sous forme –COO⁻ (pH > pKa ≈ 2) et le –NH₃⁺ reste protoné (pH < pKa ≈ 9,5) → zwitterion.
4.2 Courbe de titrage
Le titrage d’un AA par une base forte montre des plateaux à chaque pKa (zones tampons). Au point de demi-neutralisation de chaque groupement, pH = pKa correspondant. La courbe permet de déterminer les pKa et le pI expérimentalement.
5. Point isoélectrique (pI) ⚖️
Le point isoélectrique (pI ou pHi) est le pH auquel la charge nette de l’acide aminé est nulle. Au pI, la solubilité est minimale et la mobilité électrophorétique est nulle.
Le calcul du pI dépend du nombre de groupements ionisables :
AA neutre (sans chaîne latérale ionisable) : pI = ½ (pKa–COOH + pKa–NH₃⁺). Exemple pour l’alanine : pI = ½ (2,3 + 9,7) = 6,0.
AA acide (Asp, Glu) : pI = ½ (pKa–COOH + pKa–R). Exemple pour l’Asp : pI = ½ (2,1 + 3,9) = 3,0. Le pI est bas (la forme neutre existe entre les deux pKa les plus acides).
AA basique (Lys, Arg, His) : pI = ½ (pKa–NH₃⁺ + pKa–R). Exemple pour la Lys : pI = ½ (9,2 + 10,5) = 9,85. Le pI est élevé.
6. Propriétés physiques 🔦
Solubilité : les AA sont solubles dans l’eau (zwitterions = espèces polaires). La solubilité est minimale au pI. Les AA à chaîne latérale polaire ou chargée sont les plus solubles (Arg, Ser). Les AA apolaires (Tyr, Leu) sont moins solubles.
Absorption UV : tous les AA absorbent vers 220 nm (liaison peptidique). Les 3 aromatiques (Trp, Tyr, Phe) absorbent aussi à 280 nm. Le coefficient d’extinction molaire du Trp est le plus élevé → les protéines riches en Trp absorbent fortement à 280 nm.
Pouvoir rotatoire : les AA (sauf Gly) sont optiquement actifs. Il n’y a pas de relation entre la série L/D et le signe du pouvoir rotatoire (+/−).
6.1 Techniques de séparation
Les acides aminés et protéines peuvent être séparés en exploitant leurs propriétés physico-chimiques :
Électrophorèse : séparation par migration dans un champ électrique selon la charge nette (qui dépend du pH). À un pH donné, les AA chargés positivement migrent vers la cathode (−), les AA chargés négativement vers l’anode (+). Au pI, l’AA ne migre pas. Le SDS-PAGE sépare les protéines dénaturées par masse moléculaire.
Chromatographie échangeuse d’ions : résine chargée positivement (échangeuse de cations) ou négativement (échangeuse d’anions). Les AA se fixent par interactions ioniques et sont élués par un gradient de pH ou de sel. C’est la technique de base de l’analyseur d’acides aminés.
Chromatographie d’exclusion (gel filtration) : sépare les protéines par taille. Les petites molécules entrent dans les pores du gel et sont retardées ; les grosses sont exclues et éluées en premier.
Chromatographie d’affinité : un ligand spécifique (substrat, anticorps, ion métallique) est fixé sur la résine. Seule la protéine ciblée se lie et peut être éluée sélectivement. C’est la méthode la plus sélective.
7. La liaison peptidique 🔗
La liaison peptidique se forme par condensation (perte de H₂O) entre le –COOH d’un AA et le –NH₂ de l’AA suivant :
AA₁–COOH + H₂N–AA₂ → AA₁–CO–NH–AA₂ + H₂O
C’est une liaison amide. Ses caractéristiques fondamentales :
Planéité : les 6 atomes Cα–C(=O)–N(–H)–Cα sont dans le même plan. Le doublet de N est délocalisé par mésomérie avec le C=O (caractère partiel de double liaison C–N, ~40 %), empêchant la rotation libre.
Configuration trans : dans la grande majorité des cas, les chaînes Cα sont en position trans (de part et d’autre de la liaison C–N). La seule exception notable est la proline, dont la structure cyclique permet un pourcentage significatif (~10 %) de liaison peptidique cis.
Longueur de liaison : la liaison C–N peptidique (1,33 Å) est plus courte qu’une liaison C–N simple (1,47 Å) mais plus longue qu’une double liaison C=N (1,27 Å), confirmant le caractère de double liaison partielle.
Par convention, un peptide est lu de l’extrémité N-terminale (NH₂ libre) vers l’extrémité C-terminale (COOH libre).
8. Structure primaire 📝
La structure primaire est la séquence linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique, reliés par des liaisons peptidiques. C’est l’information contenue dans le gène. La structure primaire détermine entièrement les niveaux supérieurs de structuration (dogme d’Anfinsen, prix Nobel 1972).
Nomenclature : un oligopeptide contient 2 à 10 AA, un polypeptide contient 10 à 100 AA (PM < 10 kDa), une protéine contient plus de 100 AA (PM > 10 kDa).
9. Structure secondaire 🌀
La structure secondaire décrit l’arrangement spatial local de la chaîne principale, stabilisé par des liaisons hydrogène entre les groupements C=O et N–H du squelette peptidique.
9.1 Hélice α
L’hélice α est un enroulement hélicoïdal droit de la chaîne principale. Chaque C=O du résidu i forme une liaison H avec le N–H du résidu i+4. L’hélice contient 3,6 résidus par tour, avec un pas de 5,4 Å. Les chaînes latérales pointent vers l’extérieur de l’hélice.
La proline est un briseur d’hélice α : son cycle rigide et l’absence de H sur l’azote empêchent la formation de la liaison H i → i+4. La glycine, trop flexible, déstabilise aussi l’hélice.
9.2 Feuillet β
Le feuillet β est formé de brins β (chaînes étendues en zigzag) alignés côte à côte, stabilisés par des liaisons H entre les brins. Les chaînes latérales alternent au-dessus et en-dessous du plan du feuillet.
Feuillet β antiparallèle : les brins adjacents sont orientés dans des directions opposées. Les liaisons H sont perpendiculaires aux brins → plus stable.
Feuillet β parallèle : les brins sont orientés dans la même direction. Les liaisons H sont inclinées → légèrement moins stable.
9.3 Coudes et boucles
Les coudes β (β-turns) relient les brins d’un feuillet en inversant la direction de la chaîne sur 4 résidus. La proline et la glycine sont fréquentes dans les coudes. Les boucles (loops) sont des régions non structurées de longueur variable, souvent à la surface des protéines.
10. Structure tertiaire 🏗️
La structure tertiaire est l’arrangement 3D complet de la chaîne polypeptidique. Elle résulte du repliement des structures secondaires, stabilisé par des interactions entre chaînes latérales :
Liaisons hydrogène : entre chaînes latérales polaires (Ser–Asp, Thr–Glu, etc.).
Interactions ioniques (ponts salins) : entre chaînes latérales de charges opposées (Lys⁺–Asp⁻).
Interactions hydrophobes : les chaînes latérales apolaires (Leu, Val, Ile, Phe) s’agrègent au cœur de la protéine, loin de l’eau → force motrice principale du repliement.
Forces de Van der Waals : interactions faibles mais nombreuses au cœur hydrophobe.
Ponts disulfure : liaisons covalentes –S–S– entre deux résidus cystéine. Ce sont les seules liaisons covalentes de la structure tertiaire (hors liaison peptidique).
Un domaine est une unité de repliement autonome (typiquement 100–200 AA) avec une structure tertiaire compacte. Les protéines globulaires contiennent un ou plusieurs domaines.
11. Structure quaternaire 🧩
La structure quaternaire décrit l’assemblage de plusieurs sous-unités (chaînes polypeptidiques) en une protéine fonctionnelle. Les sous-unités sont maintenues par les mêmes interactions non covalentes que la structure tertiaire (liaisons H, ponts salins, interactions hydrophobes, Van der Waals), parfois renforcées par des ponts disulfure inter-chaînes.
Exemples : l’hémoglobine est un tétramère α₂β₂ (4 sous-unités). Le collagène est une triple hélice de 3 chaînes α. Les anticorps (IgG) sont des tétramères de 2 chaînes lourdes + 2 chaînes légères reliées par des ponts disulfure.
11.2 Classification des protéines
Selon leur forme : les protéines globulaires (sphériques, solubles dans l’eau, fonctionnelles : enzymes, anticorps, hémoglobine) et les protéines fibreuses (allongées, insolubles, structurales : collagène, kératine, élastine, fibroïne).
Selon leur composition : les holoprotéines ne contiennent que des acides aminés. Les hétéroprotéines contiennent un groupement prosthétique non protéique lié de manière covalente ou non : glycoprotéines (+ glucides), lipoprotéines (+ lipides), chromoprotéines (+ groupement coloré : hème dans l’hémoglobine), métalloprotéines (+ ion métallique), nucléoprotéines (+ acides nucléiques).
11.3 Dénaturation des protéines
La dénaturation est la perte de la structure tridimensionnelle native (secondaire, tertiaire, quaternaire) sans rupture des liaisons peptidiques. La structure primaire est conservée. La protéine dénaturée perd sa fonction biologique (activité enzymatique, capacité de liaison, etc.).
Agents dénaturants : chaleur (agitation thermique rompt les liaisons faibles), pH extrême (modifie les charges des chaînes latérales → perte des ponts salins), urée et chlorure de guanidinium (rompent les liaisons H), détergents (SDS, rompent les interactions hydrophobes), β-mercaptoéthanol ou DTT (réduisent les ponts disulfure).
La dénaturation peut être réversible (renaturation possible si les conditions reviennent à la normale) ou irréversible (agrégation, précipitation). L’expérience d’Anfinsen sur la ribonucléase A a montré que la renaturation complète est possible après dénaturation totale → la structure primaire contient toute l’information nécessaire au repliement correct.
12. Modifications post-traductionnelles 🔧
Après la synthèse ribosomale, les protéines subissent des modifications post-traductionnelles (MPT) qui modifient leur fonction, leur localisation ou leur stabilité :
Phosphorylation : ajout de PO₄³⁻ sur Ser, Thr ou Tyr par des kinases. Réversible (phosphatases). Rôle central dans la signalisation cellulaire.
Glycosylation : ajout de chaînes glucidiques. N-glycosylation sur Asn, O-glycosylation sur Ser/Thr. Rôle dans l’adressage, la reconnaissance cellulaire et la protection.
Ponts disulfure : oxydation de 2 cystéines en cystine (–S–S–). Stabilise les protéines sécrétées (anticorps, insuline).
Hydroxylation : hydroxylation de Pro et Lys dans le collagène (nécessite la vitamine C). Le scorbut résulte d’un déficit en vitamine C → collagène fragilisé.
γ-carboxylation : carboxylation du Glu en γ-carboxyglutamate dans les facteurs de coagulation (nécessite la vitamine K).
12.2 Aperçu du catabolisme des acides aminés
Les acides aminés excédentaires sont catabolisés (ils ne sont pas stockés). Le catabolisme commence par le retrait du groupement amine, puis le squelette carboné est orienté vers le métabolisme énergétique :
Transamination : transfert du groupement –NH₂ d’un AA sur un α-cétoacide (généralement l’α-cétoglutarate → glutamate). Catalysée par les transaminases (ALAT, ASAT), qui utilisent le pyridoxal phosphate (PLP, dérivé de la vitamine B₆) comme coenzyme. Les transaminases sont des marqueurs de la fonction hépatique en clinique.
Désamination oxydative : le glutamate libère NH₃ sous l’action de la glutamate déshydrogénase (mitochondrie hépatique). Le NH₃ toxique est éliminé via le cycle de l’urée (foie).
Sort du squelette carboné : selon l’AA, le squelette entre dans le cycle de Krebs à différents points. Les AA glucoformateurs (la majorité) sont convertis en précurseurs de la néoglucogenèse (pyruvate, oxaloacétate). Les AA cétogènes (Leu, Lys) produisent de l’acétyl-CoA ou de l’acétoacétate → corps cétoniques. Certains AA sont à la fois glucoformateurs et cétogènes (Ile, Phe, Trp, Tyr).
Exercices d’application ✏️
Exercice 1 — Point isoélectrique
Calculer le pI de la lysine. Données : pKa1 (α-COOH) = 2,2 ; pKa2 (α-NH₃⁺) = 9,0 ; pKa3 (ε-NH₃⁺) = 10,5.
Voir la correction
La lysine est un AA basique. La forme zwitterionique (charge nette 0) existe entre les deux pKa des groupements amines (les deux pKa les plus basiques).
pI = ½ (pKa2 + pKa3) = ½ (9,0 + 10,5) = 9,75.
Vérification : à pH = 9,75, le –COOH est totalement déprotoné (−1), le α-NH₃⁺ est à demi déprotoné (~−0,5 de charge moyenne), et le ε-NH₃⁺ est à demi protoné (~+0,5). La somme nette est bien proche de 0.
Exercice 2 — Charge nette à un pH donné
Quelle est la charge nette majoritaire de l’acide glutamique à pH 7,4 ? Données : pKa1 = 2,2 ; pKa2 (R) = 4,3 ; pKa3 = 9,7.
Voir la correction
À pH 7,4 : le α-COOH est déprotoné (pH ≫ 2,2 → −1). Le R-COOH est déprotoné (pH ≫ 4,3 → −1). Le α-NH₃⁺ est protoné (pH < 9,7 → +1).
Charge nette = −1 − 1 + 1 = −1.
À pH physiologique, l’acide glutamique porte une charge nette négative. C’est cohérent avec son pI bas (≈ 3,2).
Exercice 3 — Structure secondaire
Un peptide contient la séquence suivante : …Ala-Leu-Gly-Pro-Val-Phe… Quelle structure secondaire cette séquence est-elle susceptible de former ? Justifier.
Voir la correction
La présence de Pro (proline) au milieu de la séquence empêche la formation d’une hélice α continue (Pro est un briseur d’hélice). La Gly (glycine) avant la Pro est très flexible et déstabilise aussi l’hélice.
La séquence Ala-Leu pourrait initier une hélice α (Ala et Leu sont de bons formeurs d’hélice). Mais la séquence Gly-Pro introduit un coude β, suivi éventuellement d’un brin β (Val-Phe, résidus souvent trouvés dans les feuillets β).
Structure probable : début d’hélice α → coude β → brin β.
Exercice 4 — Pont disulfure
L’insuline est composée de 2 chaînes (A : 21 AA, B : 30 AA) reliées par 2 ponts disulfure inter-chaînes et 1 pont disulfure intra-chaîne (dans la chaîne A). Combien de résidus cystéine l’insuline contient-elle au total ?
Voir la correction
Chaque pont disulfure implique 2 résidus cystéine. 2 ponts inter-chaînes = 4 Cys. 1 pont intra-chaîne = 2 Cys. Total : 6 résidus cystéine (4 dans la chaîne A, 2 dans la chaîne B).
Questions fréquentes ❓
Faut-il dessiner les 20 AA de mémoire ?
Oui. C’est la compétence de base en biochimie PASS. La méthode la plus efficace : apprendre d’abord le squelette commun (Cα–NH₃⁺–COO⁻–H), puis mémoriser les chaînes latérales par groupes (apolaires, aromatiques, polaires, acides, basiques). Dessiner chaque jour 5 AA de mémoire sur une feuille blanche et vérifier. En 2 semaines de pratique quotidienne, les 20 sont acquis.
Pourquoi la proline casse-t-elle les hélices α ?
La proline est le seul AA dont la chaîne latérale forme un cycle avec l’azote du squelette (amine secondaire). Cette contrainte a deux conséquences : (1) la liaison peptidique N–Cα ne peut pas tourner librement (angle φ fixé à ~−60°) et (2) l’azote de la proline n’a pas de H disponible pour former la liaison hydrogène i → i+4 caractéristique de l’hélice α. La proline introduit donc un coude dans la chaîne.
Quelle est la différence entre cystéine et cystine ?
La cystéine (Cys, C) est un acide aminé avec un groupement thiol –SH sur sa chaîne latérale. La cystine est le produit de l’oxydation de deux cystéines : les deux –SH forment un pont disulfure –S–S–, créant un dimère. Dans les protéines, les ponts disulfure (cystines) stabilisent la structure tertiaire et quaternaire, particulièrement dans les protéines sécrétées (anticorps, hormones).
Pourquoi les AA biologiques sont-ils tous de série L ?
C’est une question fondamentale à laquelle la science n’a pas de réponse définitive. L’hypothèse la plus admise est que le choix de la série L est un accident de l’évolution prébiotique, figé ensuite par la sélection naturelle : une fois que les premières enzymes et les premiers ribosomes fonctionnaient avec des L-AA, toute la machinerie biologique s’est construite autour de cette chiralité. Les D-AA existent dans la nature (parois bactériennes, venins) mais ne sont pas incorporés par le ribosome.
Qu’est-ce qu’un acide aminé essentiel ?
Un acide aminé essentiel est un AA que l’organisme humain ne peut pas synthétiser et qui doit être apporté par l’alimentation. Il y en a 9 chez l’adulte : His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val. Une carence prolongée en un AA essentiel entraîne des troubles de la synthèse protéique (retard de croissance, immunodéficience, troubles neurologiques).