Figure 1 LES ACIDES AMINES I-INTRODUCTION II-STRUCTURE DES ACIDES AMINES
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- Danielle Paré
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1 LES ACIDES AMINES I-INTRODUCTION II-STRUCTURE DES ACIDES AMINES III- LES PROPRIETES DES ACIDES AMINES A-Les propriétés physico-chimiques des fonctions α-carboxyle et α- amine B-Propriétés physico-chimiques des chaînes latérales 1- Les acides aminés non polaires = apolaires = hydrophobes 2- Les acides aminés polaires non chargés 3- Les acides aminés polaires chargés C-Ionisation des aa et titration 1- Cas des acides aminés qui ont des chaînes latérales non ionisables 2- Cas des acides aminés qui ont trois fonctions ionisables D-Propriétés spectrales des acides aminés E-Fluorescence F- Réactivité des chaînes latérales des cystéines (formation et ouverture des ponts disulfures) Figure 1
2 II-Structure des acides aminés Protéines : combinaison de 20 acides aminés (aa) Moyenne des acides aminés ~ 128 Da Moyenne des résidus d'aminoacyl ~ 110 Da 1 protéine > 90 aa (ou 10 kda) 1 protéine=1 fonction (connue ou inconnue) «codée par la traduction (ARN -> protéine) 1 peptide= 1 fragment de protéine (peut supporter une fonction) Macromolécules majoritaires dans les cellules ( 50% du poids sec) Figure 5
3 II-Structure des acides aminés Nomenclature des acides aminés : On utilise un code soit à 3 lettres soit à 1 lettre Alanine Ala, A Glycine Gly, G Histidine His, H Isoleucine Ile, I Valine Val, V Leucine Leu, L Proline Pro, P Cystéine Cys, C Méthionine Met, M Sérine Ser, S Thréonine Thr, T Acide aspartique Asp, D Acide glutamique Glu, E Asparagine Asn, N Glutamine Gln, Q Arginine Arg, R Lysine Lys, K Phénylalanine Phe, F Tryptophane Trp, W Tyrosine Tyr, Y Figure 6
4 II-Structure des acides aminés COO - H 3 N C * R H Figure 7
5 II-Structure des acides aminés COO H 3 N C* R H -1 C* et 4 substituants Structure de la chaîne latérale (Résidu) => nom de l'aa Figure 8
6 II-Structure des acides aminés H 3 N COO C* - H 1 C* et 4 substituants 1 Fonction acide carboxylique/carboxylate R - pka environ 2 Structure de la chaîne latérale (Résidu) => nom de l'aa Figure 9
7 II-Structure des acides aminés 1 C* et 4 substituants 1 Fonction acide carboxylique/carboxylate 1 Fonction amonium / amine primaire H 3 N COO C* R - H pka environ 10 Structure de la chaîne latérale (Résidu) => nom de l'aa Figure 10
8 II-Structure des acides aminés H 3 N COO - C* H R 1 C* et 4 substituants 1 Fonction carboxylate / acide carboxylique 1 Fonction amine primaire 1 Proton, Hydrogène : H Structure de la chaîne latérale (Résidu) => nom de l'aa Figure 11
9 II-Structure des acides aminés H 3 N COO - C* H R 1 C* et 4 substituants 1 Fonction carboxylate / acide carboxylique 1 Fonction amine primaire 1 Proton, Hydrogène : H 1 chaîne latérale ou «résidu de l'amino-acide» : R Structure de la chaîne latérale (Résidu) => nom de l'aa Figure 12
10 II-Structure des acides aminés H 3 N COO - C* H R 1 C* et 4 substituants 1 Fonction carboxylate / acide carboxylique 1 Fonction amine primaire 1 Proton, Hydrogène : H 1 chaîne latérale ou «résidu de l'amino-acide» : R Structure de la chaîne latérale (Résidu) => nom de l'aa Figure 13
11 II-Structure des acides aminés Le Cα est asymétrique sauf pour Gly COO- COO- 109,5 H 3 N C H H C N H 3 C H 3 C H 3 L - Ala D - Ala 2 configurations différentes Figure 14
12 II-Structure des acides aminés COO - COO - aa naturels => série L H 3 N C H C H 3 H C C H 3 N H 3 Exceptions (série D) : L - Ala D - Ala - peptides à activité antibiotique - peptidoglycane des bactéries Figure 15
13 III-Propriétés physico-chimiques Ionisation du groupement carboxyle pka environ 2 Ionisation du groupement amine pka environ 10 Figure 16
14 III-Propriétés physico-chimiques Figure 17
15 III-Propriétés physico-chimiques Figure 18
16 III-Propriétés physico-chimiques Figure 19
17 III-Propriétés physico-chimiques Figure 20
18 III-Propriétés physico-chimiques Figure 21
19 III-Propriétés physico-chimiques Figure 22
20 III-Propriétés physico-chimiques Figure 23
21 III-Propriétés physico-chimiques Figure 24
22 III-Propriétés physico-chimiques Figure 25
23 III-Propriétés physico-chimiques Acides aminés polaires non chargés Figure 26
24 III-Propriétés physico-chimiques Acides aminés polaires non chargés Figure 27
25 III-Propriétés physico-chimiques Les acides aminés qui présentent une fonction ionisables dans leur R Hydrophobe Figure 28
26 III-Propriétés physico-chimiques Les acides aminés qui présentent une fonction ionisables dans leur R Hydrophobe Figure 29
27 III-Propriétés physico-chimiques Les acides aminés qui présentent une fonction ionisables dans leur R Figure 30
28 III-Propriétés physico-chimiques Les acides aminés qui présentent une fonction ionisable dans leur R Hydrophobe Hydrophobe Figure 31
29 III-Propriétés physico-chimiques Figure 32
30 TEST D EVALUATION Obligatoire Nominatif 15h SALLE 305 Le test se compose de 30 questions auxquelles vous devrez répondre en 20 min. Il se fera en salle info, Vous aurez donc besoin de votre identifiant et mot de passe.
31 III-Propriétés physico-chimiques Figure 33
32 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 1 (sur 2 pages) : Relation entre les structures et les propriétés chimiques des acides aminés. Les structures et les propriétés chimiques des acides aminés sont cruciales pour comprendre les fonctions biologiques des protéines. Les structures des chaînes latérales R de 16 acides aminés sont données. Nommez l'acide aminé qui contient chaque structure et désignez la chaîne latérale R avec la description la plus appropriée à ses propriétés, de (1) à (12). Quelques descriptions peuvent être utilisées plusieurs fois.
33 (1) (2) (3) (4) (5) (6) H CH 3 CH 3 CH CH 3 CH 2 CH 2 (9) CH 2 C CH 2 CH 2 OH CH 2 (7) (8) (10) (11) CH 2 CH 2 CH 2 N H O O - CH 2 C OH O O - CH 2 CH 2 S CH 3 (12) (13) (14) (15) (16) CH 2 SH CH 2 N H N H CH 2 C NH 2 O H CH 2 CH 2 CH 2 N C H N NH 2 H CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 3
34 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 1 (Suite) : 1-Petit groupement R polaire contenant un groupe hydroxyle; cet acide aminé est important dans le site actif de certaines enzymes. 2-Provoque le plus petit encombrement stérique. 3-Ce groupement R est chargé positivement à ph physiologique. 4-Groupement R contenant un sulfure; neutre à tous les ph. 5-Groupement R aromatique, hydrophobe et neutre à tous les ph. 6-Hydrocarbone saturé, important dans les interactions hydrophobes. 7-Groupement R avec un groupement imidazole; c'est un groupement important dans le site actif de certaines enzymes. 8-Le seul acide aminé possédant un groupement substitué α-imine; il influence le repliement protéique en formant un coude dans la chaîne. 9-Groupement R négativement chargé à ph Un groupement R aromatique capable de former des liaisons hydrogènes. 11-Il forme des ponts disulfures entre les chaînes polypeptidiques. 12-Quand ce groupement R polaire mais non chargé est hydrolysé, l'acide aminé est converti en un autre acide aminé qui possède un groupement R chargé négativement à ph proche de 7
35 III-Propriétés physico-chimiques Cas de Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Ser, Thr, Asn, Gln pka environ 2 pka environ 10 R non ionisable Figure 34
36 III-Propriétés physico-chimiques Titrage de Ala Figure 35
37 III-Propriétés physico-chimiques Prédominance des espèces en fonction du ph Figure 36
38 III-Propriétés physico-chimiques Calcul du degré d'ionisation en fonction du ph : Acide : ph = pka log [COO] - [COOH] Acide conjugué ph = pka log [B] d'une base : [BH ] Charge nette d'un aa Figure 37
39 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 2 : Déterminer le phi approximatif d'une solution aqueuse de valine en faisant apparaître les différentes formes ioniques dans l écriture des équilibres successifs de déprotonation (pka 1 =2.28 et pka 2 =9.72).
40 III-Propriétés physico-chimiques Cas de Asp, Glu, Lys, Arg, His, Tyr, Cys Figure 38
41 III-Propriétés physico-chimiques pka=2,2 pka=4,3 pka=9,7 Figure 40 3,2
42 III-Propriétés physico-chimiques Titrage de Glu Figure 39
43 III-Propriétés physico-chimiques Figure 41
44 TEST D EVALUATION Obligatoire Nominatif 15h SALLE 305 Le test se compose de 30 questions auxquelles vous devrez répondre en 20 min. Il se fera en salle info, et vous aurez donc besoin de votre identifiant et mot de passe.
45 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 3 : Déterminer le phi approximatif de solutions aqueuses d acide glutamique et d histidine en faisant apparaître les différentes formes ioniques dans l écriture des équilibres successifs de déprotonation. Que pouvez-vous dire sur le caractère acido-basique de ces acides aminés à ph 7? On donne : pka αcooh pka αnh3 pka R Glu 2,19 9,67 4,25 His 1,82 9,17 6,0 EXERCICE 4 : L arginine en solution peut se déprotoner suivants des équilibres successifs de constante k 1, k 2, k Connaissant pk 1, pk 2 et pk 3,(2.17, 9.04, 12.48) déterminer le phi approximatif de l arginine. 2- Calculer le pourcentage des différentes formes ioniques aux ph suivants : 3,0 ; 10,75 et 12,48 pour une solution d arginine 1M. EXERCICE 5 : Pour l acide aspartique en solution aqueuse, on a constaté à ph 5,0 que 6,75% des espèces chimiques présentes sont électriquement neutres. En déduire le pka associé à l équilibre de déprotonation de cette espèce.
46 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 6 : Pour la tyrosine en solution aqueuse, les pka sont les suivants : pka1(α-cooh) = 2,2 pka2(α-nh3) = 9,1 pka3(r) = 10,07 Sachant que 40% de la tyrosine est non chargée, on demande de calculer le ou les ph possibles pour une solution de tyrosine exactement molaire. PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 7 : 1- Ecrire la formule développée de l'histidine, ainsi que les différentes formes ioniques possibles de cet acide aminé. 2- Calculer le pkar du groupement ionisable de la chaine latérale de l'histidine. 3- L'histidine est-elle susceptible d'exercer un pouvoir tampon à ph = 6? Justifier la réponse. Données: pka(α-cooh)= 1.82 ; pka(α-nh2)= 9.17; phi= 7.59
47 III-Propriétés physico-chimiques Figure 42
48 ayant une absorbance à 280 nm de 0,04. Le coefficient d extinction molaire est : ε M 280 = 5430 M -1.cm -1 Le coefficient d extinction spécifique est : ε % 280 = 10.1 g-1.100ml. cm -1 résultat en pourcentage!!! 10%=10g/100mL Loi de Beer-Lambert Abs = ε. L. C C = Abs/ε. L pour un trajet optique de 1 cm: C = Abs/ε
49 III-Propriétés physico-chimiques Oxydation des cystéines 2 2H SCH 2 CH 2 OH SCH 2 CH 2 OH 2 HSCH 2 CH 2 OH Réduction de la cystine par le mercaptoéthanol Figure 43
50 Clivage des ponts disulfures R-CH 2 -S S-CH 2 -R Action d'agents réducteurs : HS-CH 2 -(CHOH) 2 -CH 2 -SH Dithiothréitol (DTT) β-mercaptoéthanol HOCH 2 CH 2 SH S HO S OH clivent les ponts disulfures R-CH 2 -SH HS-CH 2 -R
51 1. Electrophorèse papier (voir exercice III.9) La séparation se fait selon la charge nette (prévisible à un ph donné) Figure 44
52 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 9 : On se propose de séparer par électrophorèse sur papier un mélange d acides aminés contenant VAL, GLU, HIS, et ARG. Le principe de l'électrophorèse sur papier est schématisé sur la figure D après les valeurs de leur phi déterminées précédemment, dessiner la bande du résultat théorique attendu de la migration à ph 3,2. 6, 3,22, 7.6, Pour obtenir une meilleure séparation des acides aminés sur la bande, quel ph de la solution tampon peut-on choisir?
53 2. Chromatographie couche mince (voir exercice III.10) Séparation fonction de l'affinité * pour le support (papier, polaire) * pour le solvant (plus apolaire) simple et rapide - ne sépare pas tous les aa!!!! A B C D migration du solvant réaction à la ninhydrine Figure 45 A peptide B & C témoins aa D hydrolysat
54 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 10 (sur 4 pages) : Séparation d un mélange d acides aminés par CCM Rf = Distance parcourue par la molécule (h) Distance parcourue par le solvant (H) Figure 1 : Schéma représentant un montage de chromatographie sur couche mince. Les points multicolores représentés au-dessus de la phase mobile correspondent aux dépôts des échantillons à analyser (schéma reproduit à partir de Figure 2 : Schéma représentant un chromatogramme après révélation (reproduit à partir de : fiches2d/fiche6/fiche6.php).
55 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 10 (Suite) 1- La CCM peut être utilisée pour séparer un mélange d acides aminés et est utilisée en routine pour détecter des anomalies du métabolisme des acides aminés. Dans le cas de l analyse de mélange d acides aminés, la phase stationnaire est constituée d un support polaire de cellulose et d une phase mobile apolaire constituée d un mélange de butanol/ acétone/acide acétique/eau. Un acide aminé hydrophile migre-t-il rapidement ou lentement? Qu'en est-il d un acide aminé hydrophobe? Quel acide aminé aura le Rf le plus grand? 2-Vous travaillez dans un laboratoire d analyses médicales. Vous souhaitez analyser par chromatographie sur couche mince le plasma sanguin de 3 patients («B», «C» et «D»). Ces patients présentent des disfonctionnements du métabolisme provoquant des anomalies au niveau de la concentration de certains acides aminés dans le plasma sanguin. Vous disposez également d un plasma contrôle d un patient sain «A» et de standards pour 16 acides aminés. Pourquoi est-il important de disposer d un plasma contrôle d un patient sain «A»? De disposer de standards?
56 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 10 (Suite) 3- Vous effectuez une expérience de CCM (Fig. 3) en déposant vos standards et échantillons de la façon suivante : 1- Asparagine 2- Alanine Et 3- Lysine Patient «A» : Plasma normal 4- Arginine Patient «B» : Plasma pathologique 5- Glutamine Patient «C» : Plasma pathologique 6- Glycine Patient «D» : Plasma pathologique 7- Methionine 8- Proline 9- Isoleucine 10- Valine 11- Leucine 12- Thréonine 13- Sérine 14- Tyrosine 15- Phénylalanine 16- Citrulline Figure 3 : Diagramme représentant un résultat d analyse en CCM. Identifier les acides aminés déposés en positions 3 et 4. Comment pouvez-vous expliquer les faibles Rfs de ces acides aminés? Est-il logique que ces deux acides aminés présentent des Rfs similaires? Pourquoi le Rf de l asparagine est-il plus important que celui de ces deux acides aminés? Expliquer vos réponses en représentant la structure chimique de chaque acide aminé.
57 PARTIE III (ACIDES AMINES), EXERCICE 10 (Suite) 4 Quel est l acide aminé présentant le Rf le plus important? Cela vous paraît-il logique? Expliquer votre réponse. 5 - En vous appuyant sur la figure 3, indiquer quels sont les acides aminés présents en quantités anormales chez les patients «B», «C» et «D». 6- Etant expert dans le métabolisme des acides aminés, vous savez que : La phénylcétonurie est une maladie génétique à l origine de retard mentaux due à une dégradation enzymatique défectueuse de la phénylalanine qui s accumule alors à des niveaux toxiques dans le sang. La maladie du sirop d érable est maladie génétique due à un problème de dégradation enzymatique de la leucine, de l isoleucine et de la valine qui s accumulent dans l organisme à des niveaux toxiques. Ces accumulations peuvent conduire à une dégénérescence du système nerveux. La citrullinémie est une maladie génétique due à une déficience enzymatique au sein du cycle de l urée menant à une accumulation de citrulline et à terme à une accumulation d ammoniac, hautement toxique pour l organisme. La citrullinémie peut se manifester de façon très diverse allant de l absence de manifestations à des cas mortels. En prenant en considération ces données, déterminer de quelle maladie souffrent les patients «B», «C» et «D».
58 aa essentiels (9) (non synthétisés par la cellule, donc apport exogène) His, H Ile, I Leu, L Lys, K Met, M Phe, F Thr, T Trp, W Val, V aa non essentiels (11) Ala, A Arg, R Asn, N Asp, D Cys, C Glu, E Gln, Q Gly, G Pro, P Ser, S Tyr, Y
59 Il en existe d autres!
60
61 II-Structure des acides aminés ACIDES AMINES La valeur du pka est indiquée pour chacune des fonctions ionisables, MM= masse molaire (en g/mole) La structure des acides aminés donnée ici est la forme ionique majoritaire à ph = 7 Acides aminés aliphatiques _ 9,60 2,32 2,34 2,35 9,62 9,60 9,69 _ 2,36 Glycine; Gly; G phi=5,97; MM=75 Alanine;Ala; A phi=6,02; MM=89 Valine;Val; V phi=5,97; MM=117 Leucine; Leu; L phi=5,98; MM=131 9,68 _ 2,36 10,60 _ 1,99 Isoleucine; Ile; I phi=6,02; MM=131 Proline; Pro; P phi=6,30; MM=115 Acides aminés soufrés _ 9,21 2,28 10,78 _ 1,71 Acides aminés hydroxylés _ 2,21 10,43 9,15 _ 2,63 8,33 Méthionine; Met; M phi=5,75; MM=149 Cystéine; Cys; C phi=5,02; MM=121 Figure 2 Sérine; Ser; S phi=5,68; MM=105 Thréonine;Thr; T phi=6,53; MM=119
62 II-Structure des acides aminés Acides aminés aromatiques _ 9,13 1,83 9,11 _ 2,20 9,39 _ 2,38 Phénylalanine; Phe; F phi=5,48; MM=165 10,07 Tyrosine; Tyr; Y phi=5,65; MM=181 Tryptophane; Trp; W phi=5,88; MM=204 Acides aminés dicarboxyliques et leurs amides 9,82 _ 2,09 9,67 _ 2,19 8,80 _ 2,02 9,13 _ 2,17 _ 3,86 _ 4,25 Acide aspartique; Asp; D phi=2,98; MM=133 Acide glutamique; Glu; E phi=3,22; MM=147 Asparagine; Asn; N phi=5,41; MM=132 Glutamine; Gln; Q phi=5,65; MM=146 Figure 3
63 II-Structure des acides aminés Acides aminés dibasiques 8,95 _ 3,18 9,04 _ 2,17 9,17 _ 1,82 10,53 12,48 6,0 Lysine; Lys; K phi=9,74; MM=146 Arginine; Arg; R phi=10,76; MM=174 Histidine; His; H phi=7,59; MM=155 Figure 4
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