Toutes les protéines sont construites à partir de vingt acides aminés standard, assemblés par la liaison peptidique. Ce chapitre décrit leur structure, leur classification selon la chaîne latérale, leur comportement acido-basique — avec le calcul du point isoélectrique, exercice inévitable en Biochimie structurale S3 — et les caractéristiques géométriques de la liaison peptidique qui conditionnent toute la structure des protéines.
1. Structure générale et chiralité
Un acide α-aminé porte, sur le même carbone α, une fonction amine primaire (–NH2), une fonction acide carboxylique (–COOH), un hydrogène et une chaîne latérale R qui fait l'identité de chaque acide aminé. La proline fait exception : sa chaîne latérale se referme sur l'azote, qui devient une amine secondaire (acide α-iminé). Sauf pour la glycine (R = H), le carbone α est asymétrique : chaque acide aminé existe sous deux énantiomères, et les protéines ne contiennent que la série L (NH2 à gauche en projection de Fischer, carboxyle en haut). Les acides aminés de série D existent dans la paroi bactérienne et certains antibiotiques peptidiques. Les acides aminés sont des solides cristallins, solubles dans l'eau, à point de fusion élevé, ce qui trahit leur nature ionique.
2. Classification des 20 acides aminés selon la chaîne latérale
On classe les acides aminés d'après la polarité de R à pH physiologique. Les apolaires aliphatiques — glycine (Gly, G), alanine (Ala, A), valine (Val, V), leucine (Leu, L), isoleucine (Ile, I), proline (Pro, P) et méthionine (Met, M, soufrée) — sont hydrophobes et se retrouvent au cœur des protéines. Les aromatiques — phénylalanine (Phe, F), tyrosine (Tyr, Y) et tryptophane (Trp, W) — absorbent la lumière ultraviolette à 280 nm (surtout Trp et Tyr), ce qui permet de doser les protéines par spectrophotométrie. Les polaires non chargés — sérine (Ser, S), thréonine (Thr, T), cystéine (Cys, C), asparagine (Asn, N) et glutamine (Gln, Q) — portent un hydroxyle, un thiol ou un amide capables de liaisons hydrogène ; deux cystéines peuvent s'oxyder en un pont disulfure (cystine). Les chargés positivement (basiques) sont la lysine (Lys, K), l'arginine (Arg, R) et l'histidine (His, H) ; les chargés négativement (acides) sont l'aspartate (Asp, D) et le glutamate (Glu, E). Neuf acides aminés sont essentiels chez l'homme (Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Thr, Lys, His) et doivent être apportés par l'alimentation. Des acides aminés modifiés après la synthèse existent dans les protéines : hydroxyproline et hydroxylysine du collagène, phosphosérine, γ-carboxyglutamate des facteurs de coagulation.
3. Propriétés acido-basiques et point isoélectrique
En solution, un acide aminé est un ampholyte : le carboxyle est un acide faible de pK1 ≈ 2,2 et l'amine une base faible de pK2 ≈ 9,4. À pH physiologique, les deux groupes sont ionisés (–COO− et –NH3+) : la molécule est un ion dipolaire ou zwitterion, globalement neutre. À pH très acide, elle porte une charge nette +1 (cation) ; à pH très basique, −1 (anion). Le point isoélectrique pHi est le pH auquel la charge nette est nulle ; l'acide aminé n'y migre pas en électrophorèse et sa solubilité est minimale. Pour un acide aminé neutre, pHi = (pK1 + pK2)/2, soit environ 5,8 pour la glycine. Les chaînes latérales ionisables ajoutent un troisième pKR : pour un acide aminé acide (Asp, Glu, pKR ≈ 4), pHi = (pK1 + pKR)/2 ≈ 3 ; pour un acide aminé basique (Lys pKR ≈ 10,5, Arg ≈ 12,5, His ≈ 6), pHi = (pK2 + pKR)/2. La règle générale : le pHi est la moyenne des deux pK qui encadrent la forme zwitterionique. La courbe de titration d'un acide aminé présente autant de paliers que de groupes ionisables, et l'histidine, dont le pKR est proche de 7, est le seul acide aminé tampon efficace au pH physiologique.
4. Réactions caractéristiques des acides aminés
La ninhydrine réagit avec l'amine α libre pour donner un composé violet (pourpre de Ruhemann), utilisé pour révéler et doser les acides aminés après chromatographie ; la proline donne une coloration jaune. Le réactif de Sanger (dinitrofluorobenzène, DNFB) et le chlorure de dansyl marquent l'amine N-terminale et permettent d'identifier le premier résidu d'un peptide. Le phénylisothiocyanate (PITC) de la dégradation d'Edman détache un à un les résidus N-terminaux sous forme de phénylthiohydantoïne, ce qui permet de séquencer un peptide. Le carboxyle peut être estérifié, l'amine acylée ; le thiol de la cystéine est oxydable en pont disulfure et réductible par le β-mercaptoéthanol. Enfin, la réaction la plus importante est la condensation de deux acides aminés en une liaison peptidique.
5. La liaison peptidique et les peptides
La liaison peptidique (–CO–NH–) résulte de la condensation du carboxyle d'un acide aminé avec l'amine du suivant, avec élimination d'eau ; dans la cellule, elle est formée par le ribosome et consomme de l'énergie. Par résonance entre C=O et C–N, elle possède un caractère partiel de double liaison (longueur C–N de 1,32 Å, intermédiaire entre simple et double) : elle est plane, rigide, sans rotation possible, et adopte presque toujours la configuration trans. Les six atomes (Cα, C, O, N, H, Cα) sont coplanaires. Seules les liaisons N–Cα (angle φ, phi) et Cα–C (angle ψ, psi) peuvent tourner, ce qui définit la conformation de la chaîne et le diagramme de Ramachandran. Une chaîne peptidique possède une extrémité N-terminale (amine libre, écrite à gauche) et une extrémité C-terminale (carboxyle libre, à droite) ; on parle de dipeptide, tripeptide, oligopeptide (moins d'une dizaine de résidus), polypeptide, et de protéine au-delà d'une cinquantaine de résidus. Peptides biologiques à connaître : le glutathion (tripeptide γ-Glu-Cys-Gly, antioxydant), l'ocytocine et la vasopressine (9 résidus), l'insuline (51 résidus en deux chaînes reliées par des ponts disulfure), l'aspartame (dipeptide édulcorant).
Forme ionique dipolaire d'un acide aminé portant simultanément un groupe –COO⁻ et un groupe –NH₃⁺, de charge nette nulle ; c'est la forme dominante au point isoélectrique.
pH auquel la charge nette d'un acide aminé ou d'une protéine est nulle ; il se calcule comme la moyenne des deux pK qui encadrent la forme neutre.
| Classe | Acides aminés | Propriété clé |
|---|---|---|
| Apolaires aliphatiques | Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Met | Hydrophobes, cœur des protéines |
| Aromatiques | Phe, Tyr, Trp | Absorption UV à 280 nm |
| Polaires non chargés | Ser, Thr, Cys, Asn, Gln | Liaisons hydrogène ; Cys → pont disulfure |
| Chargés positivement | Lys, Arg, His | pKR ≈ 10,5 / 12,5 / 6 |
| Chargés négativement | Asp, Glu | pKR ≈ 4 ; charge − à pH 7 |
Classification des acides aminés selon la chaîne latérale
- 20 acides α-aminés standard, tous de série L (sauf Gly, non chiral) ; la proline est un acide iminé.
- Classes : apolaires, aromatiques (UV 280 nm), polaires non chargés, basiques (Lys, Arg, His), acides (Asp, Glu).
- pK1 ≈ 2,2 (COOH), pK2 ≈ 9,4 (NH2) ; zwitterion à pH neutre ; pHi = moyenne des deux pK encadrant la forme neutre.
- Ninhydrine → violet (proline → jaune) ; Sanger et Edman identifient l'extrémité N-terminale.
- Liaison peptidique : plane, rigide, trans, caractère partiel de double liaison ; seuls φ et ψ tournent.
L'exercice roi de ce chapitre est le calcul du pHi d'un acide aminé (Gly, Asp, Lys, His) à partir des pK, suivi de la prévision de la charge et du sens de migration en électrophorèse à un pH donné. Autre question fréquente : expliquer pourquoi la liaison peptidique est plane et rigide. Piège : prendre la moyenne des trois pK au lieu des deux qui encadrent le zwitterion. Fais un schéma des formes ioniques successives, l'erreur devient impossible.