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Chapitre 1 Les acides aminés: Structures Professeur Michel SEVE Année universitaire 2009/2010 Université Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits réservés. UE1: Cycle 4 : Biomolécules (1) : Acides aminés et protéines

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Chapitre 1 Les acides aminés: Structures

Professeur Michel SEVE Année universitaire 2009/2010

Université Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits réservés.

UE1: Cycle 4 : Biomolécules (1) : Acides aminés et protéines

Page 2: Chapitre 1 Les acides aminés: Structures 1 acides... · Description des 21 acides aminés des protéines ... Molécule amphotère. ... • Chaine latérale aromatique ( Indol) •

Qui suis-je ? • Pharmacien, PhD en Biologie structurale, HDR • Professeur en Biotechnologies à l’UFR de Pharmacie • Praticien Hospitalier à l’Institut de Biologie et

Pathologie du CHU de Grenoble

• Enseignement: Biochimie, Biologie cellulaire et biotechnologies en PACES, études de Pharmacie, Licence et Maitrise en Biotechnologies-santé, responsable de l’Ecole des biotechnologies à l’Université Joseph Fourier et co-responsable du Master européen Erasmus Mundus BioHealth Computing.

• Recherche et activité hospitalière: Responsable de la plateforme de protéomique Prométhée (CHU et Institut Albert Bonniot). Développement de technique, recherche et validation de biomarqueurs par des approches de protéomique

Michel SEVE

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures Introduction 2/41

[email protected]

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Les acides aminés: structures Plan du cours

1. Les acides aminés: Définition et structure 2. Codage des acides aminés 3. Description des 21 acides aminés des protéines

3.1 Acides aminés à Chaines latérales aliphatiques 3.2 Acides aminés à Chaines latérales Hydroxylées, Soufrées ou hydrophiles 3.3 Acide aminé à Chaine latérale Cyclique 3.4 Acides aminés à Chaines latérales Aromatiques 3.5 Acides aminés à Chaines latérales Chargées positivement 3.6 Acides aminés à Chaines latérales Chargées négativement 3.7 Autres acides aminés et acides aminés modifiés

4. Les acides aminés essentiels

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures Plan du cours 3/41

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1. Les acides aminés: Définition

• Acides organiques contenant un groupement amine. • Les plus communs des acides aminés sont les acides α-aminés • Les plus communs des acides α-aminés sont ceux de la série L. • Seulement 21 acides α-aminés L sont utilisés pour produire les

protéines (il existe en fait un 22ème acide aminé, la pyrolysine, chez les bactéries méthanogènes).

Il existe quelques rares exceptions: - Dans les protéines de la membrane bactérienne qui contiennent

quelques acides aminés de la série D (D-Alanine et D-glutamine) - Des acides aminés modifiés comme l'hydroxylysine ou

l'hydroxyproline dans le collagène.

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 1. Les acides aminés: définition 4/41

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Structure des acides α-aminés

R : Radical ou chaîne latérale. Partie variable des AA.

Les acides α-aminés (AA) ont un motif structural commun :

C α

R

NH2

Groupe aminé

COOH

Groupe carboxyle

H

Dans les protéines : 21 groupes R 21 AA.

Molécule amphotère.

AAα NH2 et COOH portés par le même C.

C C C C C COOH α β γ δ ε

Nomenclature

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 1. Les acides aminés: définition 5/41

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Stéréochimie des acides α-aminés

La plupart des acides aminés sont des molécules chirales car ils contiennent un carbone asymétrique. Ce carbone, centre de la chiralité est lié à quatre substituants différents. Seule la glycine ne comporte pas de carbone asymétrique et n'est donc pas une molécule chirale.

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 1. Les acides aminés: définition 6/41

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Les acides aminés des protéines chez l’homme sont de la série L

D- et L- Alanine S R Cahn Ingold Prelog

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 1. Les acides aminés: définition 7/41

Miroir

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Les différents acides α-aminés

Alanine Arginine Asparagine Acide Aspartique Cystéine Glutamine Acide Glutamique Glycine Histidine

Isoleucine Leucine Lysine Méthionine Phénylalanine Proline

Sélénocystéine Sérine Thréonine Tryptophane Tyrosine Valine

• D’autres acides aminés sont retrouvés par modifications enzymatiques des protéines: hydroxyproline, hydroxylysine, phosphosérine…

• Il existe 20 autres acides aminés impliqués dans des voies métaboliques: méthyl-histidine, homocystéine, acide gamma hydroxybutyrique…

• 21 acides aminés incorporés dans les protéines lors de la traduction:

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 1. Les acides aminés: définition 8/41

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2. Codage des acides aminés

Nom Code à 1 lettre Code à 3 lettres Alanine A Ala ARginine R Arg Acide Aspartique D Asp AsparagiNe N Asn Cystéine C Cys Glutamine Q Gln Acide Glutamique E Glu Glycine G Gly Histidine H His Isoleucine I Ile Leucine L Leu Lysine K Lys Méthionine M Met Phénylalanine F Phe Proline P Pro Sélénocystéine U Sec Sérine S Ser Thréonine T Thr Tryptophane W Trp Tyrosine Y Tyr Valine V Val

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 2. Codage des acides aminés 9/41

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3.1 - ACIDES AMINÉS À CHAINES LATÉRALES ALIPHATIQUES

G - GLY

A - ALA

V - VAL I - ILE

L - LEU

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 10/41

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Glycine (G ou GLY)

C2H5NO2

• Chaine latérale la plus simple, un hydrogène • Classé dans les aliphatiques par défaut • Pas de carbone asymétrique • Acide aminé ayant la plus petite masse moléculaire • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 11/41

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Alanine (A ou ALA)

• Chaine latérale méthyle • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C3H7NO2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 12/41

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Valine (V ou VAL)

• Chaine latérale isopropyle • Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires en contact avec les lipides • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C5H11NO2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 13/41

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Leucine (L ou LEU)

• Chaine latérale isobutyle • Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires en contact avec les lipides • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C6H13NO2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 14/41

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Isoleucine (I ou ILE)

• Chaine latérale isobutyle • Isomère de la Leucine (même formule chimique) • Existence d’un carbone asymétrique sur la chaine latérale mais seule la forme 2S-3S est rencontrée dans la nature. • Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires en contact avec les lipides • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C6H13NO2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 15/41

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3.2 - ACIDES AMINÉS À CHAINES LATÉRALES HYDROXYLÉES, SOUFRÉES OU HYDROPHILES

S - SER

T - THR

C - CYS

M - MET N - ASN

Q - GLN

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 16/41

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Sérine (S ou SER)

• Chaine latérale avec groupement hydroxyle (alcool) • Site de phosphorylation dans de nombreuses protéique • Acide aminé généralement retrouvé dans les protéine, en contact avec le solvant et dans les sites catalytiques d’enzymes • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C3H7NO3

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 17/41

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Thréonine (T ou THR)

• Chaine latérale avec groupement hydroxyle (alcool) • Site de phosphorylation dans de nombreuses protéique • 2 carbones asymétriques. Le préfixe "allo-" est utilisé pour désigner la molécule présente dans les protéines. On peut aussi différencier ces molécules en utilisant la nomenclature R/S (Cahn-Ingold-Prelog): l'allo-thréonine est la (2S,3R) thréonine. • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C4H9NO3

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 18/41

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Cystéine (C ou CYS)

• Chaine latérale avec groupement sulfhydryle (Thiol), ionisable • Possibilité de réactions d’oxydo-réduction • Acide aminé formant des ponts disulfures, retrouvé sous forme réduite dans les sites catalytiques d’enzymes et impliqué dans la coordination de métaux dans les métalloprotéines • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C3H7NO2S

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 19/41

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Méthionine (M ou MET)

• Chaine latérale avec groupement thioéther • Précurseur métabolique de la S-adénosyl méthionine, donneur de méthyle • Importance comme premier acide aminé dans la synthèse protéique (Nt) • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C5H11NO2S

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 20/41

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Asparagine (N ou ASN)

• Chaine latérale avec groupement amide • Site de glycosylation dans de nombreuses protéines secrétées • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C4H8N2O3

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 21/41

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Glutamine (Q ou GLN)

• Chaine latérale avec groupement amide • Acide aminé le plus abondant dans le sang • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C5H10N2O3

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 22/41

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3.3 - ACIDE AMINÉ À CHAINE LATÉRALE CYCLIQUE

P - PRO

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Proline (P ou PRO)

• Chaine latérale cyclisée (pyrolidine) • Un acide aminé formé par oxydation du cycle : l’hydroxyproline est retrouvé en grande quantité dans certaines protéines comme le collagène • Peu fréquent dans les protéines • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C5H9NO2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 24/41

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3.4 - ACIDES AMINÉS À CHAINES LATÉRALES AROMATIQUES

F - PHE

Y - TYR

W - TRP

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 25/41

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Phénylalanine (F ou PHE)

• Chaine latérale aromatique (Phényl) • Absorption de la lumière dans l’UV vers 280nm • Un des acides aminés les plus hydrophobes, il est généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires, en contact avec les lipides • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C9H11NO2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 26/41

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Tyrosine (Y ou TYR)

• Chaine latérale aromatique (Phénol), ionisable à pH élevé • Absorption de la lumière dans l’UV vers 280nm • Site de phosphorylation dans de nombreuses protéique • Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires, en contact avec les lipides • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C9H11NO3

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 27/41

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Tryptophane (W ou TRP)

• Chaine latérale aromatique (Indol) • Absorption de la lumière dans l’UV vers 280nm • Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires, en contact avec les lipides • Précurseur du métabolisme de la sérotonine (hormone et neuromédiateur) • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C11H12N2O2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 28/41

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3.5 - ACIDES AMINÉS À CHAINES LATÉRALES CHARGÉES POSITIVEMENT

H - HIS

K - LYS

R - ARG

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 29/41

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Histidine (H ou HIS)

• Chaine latérale Imidazole (aromatique) • une base, au sens de la définition de Bronsted-Lowry, mais le pKa de la chaîne latérale est légèrement acide (pKa=6,0) pour des milieux physiologiques (à pH=7,5). Le pHi est neutre à 7,47. • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C6H9N3O2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 30/41

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Lysine (K ou LYS)

• Chaine latérale aminée, ionisable à pH acide • Modifié dans certaines protéines par acétylation • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C6H14N2O2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 31/41

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Arginine (R ou ARG)

• Chaine latérale avec groupement guanidinium • Ionisable, toujours chargée aux pH physiologiques • Acide aminé le plus basique et le plus hydrophile • Impliquée dans le cycle de l’urée et donc dans le contrôle des composés azotés de l’organisme • AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C6H14N4O2

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 32/41

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3.6 - ACIDES AMINÉS À CHAINES LATÉRALES CHARGÉES NÉGATIVEMENT

D - ASP

E - GLU

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 33/41

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Acide Aspartique (D ou ASP)

• Chaine latérale acide, ionisable à pH basique • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C4H7NO4

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 34/41

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Acide Glutamique (E ou GLU)

• Chaine latérale acide, ionisable à pH basique • Aussi un neuromédiateur, ainsi que le GABA (Acide gamma amino-butyrique) qui en dérive • AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme

C5H9NO4

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 35/41

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3.7 La Sélénocystéine (U ou SEC)

• Acide aminé rare, formé à partir de la sérine • Incorporé dans les protéines par traduction du codon

UGA, qui est normalement un codon stop.

SelenoCystéine CH₂ SeH

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 36/41

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Acides aminés modifiés

Il existe aussi des acides aminés modifiés après la traduction des protéines.

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 37/41

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Autres acides aminés D’autres acides aminés comme l'ornithine ou la citrulline ne sont pas utilisés pour produire des protéines, mais entrent dans des métabolismes.

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 3. Description des 21 AA 38/41

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4. Les acides aminés essentiels

F Phénylalanine L Leucine M Méthionine K Lysine I Isoleucine V Valine T Thréonine W Tryptophane H Histidine R Arginine

« Mets-le dans la valise, il fait trop d'histoires » Cette phrase est dérivée du code à trois lettres des acides aminés essentiels (excluant l'arginine): Met-Leu-Val-Lys-Ile-Phe-Trp-His-Thr

Moyen mnémotechnique:

(acides aminés semi-essentiel, indispensables chez le nourrisson)

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures 4. Acides aminés essentiels 39/41

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Eléments majeurs à retenir… - Savoir définir et décrire la structure d’un acide

aminé Chaine latérale, Molécule amphotère et chirale (sauf G), série L chez l’homme , 21 aa dans les protéines

- Connaitre la structure, les codes à 1 et à 3 lettres des 21 acides aminés trouvés dans les protéines

Structure de la chaine latérale, caractéristique physico-chimique principale de la chaine latérale, essentiel/non essentiel

- La liste des 10 acides aminés essentiels F,L,M,K,I,V,T,W,H,R

Chapitre 1: Les acides aminés: Structures A retenir … 40/41

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