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BW CHIM9239 2 Protéines .pdf



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Titre: BW CHIM9239-2 - Protéines - à modifier
Auteur: f

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Cours de Chimie des molécules biologiques
(partie protéines)
CHIM9239-2

2ème Bachelier bioingénieur

Bernard WATHELET

Les supports de cours mis sur Internet ont pour seule vocation d'être
utilisés par les étudiants dans le cadre de leur cursus au sein de
l'Université de Liège. Aucun autre usage ni diffusion ne sont autorisés,
sous peine de constituer une violation de la Loi du 30 juin 1994 relative
aux droits d'auteur. Une partie des graphiques est absente de ces notes qui
ne représentent pas l’entièreté de la matière, mais constituent les notes de
base indispensables et minimales à la bonne connaissance de celle-ci.
Les livres et articles principaux ayant servi à l'élaboration de ce cours sont
répertoriés dans la partie bilbiographie.

1. Acides aminés et peptides
Les cellules vivantes produisent une grande variété de macromolécules (protéines, acides
nucléiques, polysaccharides) qui servent de constituants structuraux, de biocatalyseurs,
d'hormones, de récepteurs ou de dépositaires de l'information génétique. Ces macromolécules
sont des biopolymères fabriqués à partir de monomères distincts ou unités de construction.
Dans le cas des acides nucléiques, les monomères sont les nucléotides; dans le cas des
polysaccharides complexes, ce sont des dérivés glucidiques et, dans celui des protéines, ce
sont les acides α-aminés.
Tandis que plusieurs protéines peuvent contenir des composés autres que les acides aminés,
leur structure tridimensionnelle ainsi que la plupart de leurs propriétés biologiques découlent
des différentes classes d'acides aminés présents et de l'ordre dans lequel ces acides aminés
sont unis les uns aux autres dans une chaîne polypeptidique et du rapport spatial d'un acide
aminé par rapport à l'autre. Par conséquent, il est nécessaire d'avoir quelques connaissances de
la chimie des acides aminés pour bien comprendre la chimie des protéines.
1.1. Les différents acides aminés
Les acides aminés possèdent un groupement carboxyle et un groupement aminé reliés au
même atome de carbone (α).

R

A

B

H

H2N

α

HOOC

NH2

α
R

OH

O

Figure 1.1. Deux représentations d'un acide α-aminé
(représentation non explicite des H sur les C dans la structure B)
Bien qu'il existe environ 300 acides aminés dans la nature, on en retrouve seulement 20 dans
les protéines. L'hydrolyse complète (acide, basique ou catalysée par une enzyme) des
protéines fournit les 20 acides L-α-aminés apparaissant dans le figure 1.2.. Les mêmes 20
acides aminés sont présents dans les protéines provenant de toutes les différentes formes de
vie: végétale, animale et microbienne. Ces acides aminés sont appellés acides aminés
protéiques, contrairement aux acides aminés libres qui ne sont pas unis entre eux par des
liaisons peptidiques.
La conformation et la fonction d'une protéine sont dictées par sa composition en acides
aminés et par l'ordre dans lequel ces acides aminés sont reliés en un polymère linéaire appelé
chaîne polypeptidique. Comme nous le verrons plus loin, cette séquence constitue la structure
primaire d'une protéine. Chaque acide aminé possède un carbone central, désigné carbone α,
auquel sont attachés quatre substituants: un groupe aminé basique (-NH2), un groupe
carboxyle acide (-COOH), un atome d'hydrogène et un groupe appelé chaîne latérale, distinct
pour chaque acide aminé. Cette chaîne latérale, désignée généralement –R, confère son
identité à chaque acide aminé (figure 1.3.a).
Les atomes de carbone de la chaîne latérale sont qualifiés dans l'ordre β,γ,δ,ε et les
substituants de ces carbones portent la lettre de l'atome de carbone auquel ils sont liés. Par
exemple, le groupe aminé lié au carbone α est appelé groupe α-aminé.
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 1

NH

H3C
H3N
O

H3N

-

O

-

O

CH3

O

CH3

H3N

CH3

-

O

-

O

O

O

H2N

H3N

-

O

O

Phenylalanine

Isoleucine

Leucine

Tryptophane

Proline

Phe

Ile

Leu

Trp

Pro

F

I

L

W

P

OH
CH3
H3N
O

CH3

-

S

H3N

CH3

O

-

O

H3N

H3N

-

-

O

H3N

H3N

SH
O

H

CH3

-

O

-

O

O

Cystéine

Alanine

Glycine

Tyr

Cys

Ala

Gly

Y

C

A

G

O

O

Valine

Méthionine

Tyrosine

Val

Met

V

M

O

O

H
N
O
NH

H3N
O

OH

H N
3

-

O

-

O

CH
3

O

NH2

-

O

Sérine

Glutamine

His

Thr

Ser

Gln

H

T

S

Q

NH3
H3N
O

H3N

-

O

O

O

NH2

H3N

-

O

O

O

Thréonine

NH2

-

-

Histidine

NH2

O

O

H3N

O

NH
H3N

OH

H3N

O
O

-

O
H3N

O
O

-

O

-

O

O

Arginine

Lysine

Asparagine

Acide glutamique

Acide aspartique

Arg

Lys

Asn

Glu

Asp

R

K

N

E

D

PP
PP

-

Polaire/Hydrophile
Non polaire/Hydrophobe

Figure 1.2. Structure des acides aminés à pH 7,4
Les acides aminés ont un code à 3 et à 1 lettre. Le code à 3 lettres commence par une
majuscule. Le code à 1 lettre représente la première lettre du nom sauf pour W, Y, K, N, Q, D
et E.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 2

(a)

+

(b)

-

pH = 7,4

(c)
Figure 1.3. Trois modèles pour représenter un acide aminé
Les liaisons tracées dans la figure 1.3.a sont trompeuses. En réalité elles radient du carbone
central vers les sommets d'un tétraèdre et non vers les coins d'un carré. La géométrie
tétraédique peut être illustrée par le procédé du "coin volant" (figure 1.3.b) : un trait simple
représente une liaison située dans le plan du papier, un pointillé représente une liaison
orientée en arrière de ce plan et un trait d'épaisseur croissante représente une liaison orientée
vers le lecteur. Un modèle tridimensionnel (modèle éclaté) de la sérine est illustré dans la
figure 1.3.c.
Dans ces figures, le groupe aminé a été protoné et le groupe carboxyle a perdu son proton. La
charge nette de l'acide aminé est encore nulle, mais la molécule est devenue un ion amphotère
ou zwitterion (de l'allemand, zwitter, hybride). La plupart des acides aminés sont des ions
amphotères à pH 7,0. Nous indiquerons plus loin comment l'ionisation porte aussi sur
certaines de leurs chaînes latérales.
A l'exception de la glycine où la chaîne latérale est un H, les carbones α des acides aminés
sont asymétriques (atome de carbone portant quatre substituants différents). Cela rend ces
molécules chirales : il n'y a ni plan ni axe de symétrie. La molécule peut exister sous forme de
deux énantiomères ou antipodes optiques qui sont non superposables (figure 1.4.).

Isomère L
Isomère D
Figure 1.4.. Enantiomères des acides aminés
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 3

Les acides aminés isolés des protéines possèdent la configuration de l'image située à gauche
du miroir, soit l'isomère L. Les images dans un miroir sont des stéréoisomères appelés
énantiomères.
Ces isomères sont des énantiomères et sont qualifiés de chiraux, traduction du mot grec:
main. Cette appellation est appropriée, car un objet est à son image dans un miroir comme la
main droite est à la main gauche. Remarquons que, dans la figure 1.5., le carbone α de la
sérine est un centre chiral. Pour des raisons historiques, les couples d'énantiomères d'acides
aminés s'appellent D (en majuscule, pour dextro) et L (pour Lévo). Ces couples qualifient la
position réelle dans l'espace, ou configuration, des atomes entourant le carbone et ne
préjugent pas du sens de la rotation optique des isomères, qui est désignée d'habitude d (ou +)
ou  (ou -). Exemple, dans l'eau : L(+)-alanine (dextrogyre) ou L-d–alanine,
L(-)phenylalanine.
A part la glycine, qui n'est pas chirale, tous les acides aminés peuvent exister en configuration
D ou L. Il est, dès lors, assez surprenant de trouver la seule configuration L dans tous les
acides aminés chiraux constituants les protéines: cela provient de la reconnaissance des seuls
acides aminés L par les enzymes qui les polymérisent en protéines. Dans les chapitres
suivants, cette configuration L ne sera plus précisée, elles est implicitement admise.
Définition : une molécule est chirale si elle ne possède ni plan, ni centre de symétrie. Dans le
cas des acides aminés, c'est le carbone α asymétrique qui est à l'origine de la chiralité. Un
carbone asymétrique est un carbone substitué par 4 substituants tous différents.
O

H3N

Plan du
miroir

-

O

C

O

C

α

H

H C

β

OH

O

C
C

α

HO C

β

H

H

H

L-Sérine

D-Sérine

-

NH3
H

Figure 1.5. L-sérine et D-sérine disposés comme des images en miroir
L'isoleucine et la thréonine possèdent deux carbones asymétriques. Elles peuvent exister sous
quatre formes différentes :

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 4

Figure 1.6. Isomères de l'isoleucine et de la thréonine.
Un acide aminé diffère d'un autre par sa chaîne latérale, -R. L'éventail des structures des 20
acides aminés les plus communs des protéines montre une grande variété dans les chaînes
latérales.
Propriétés des acides aminés protéiques (cf. figure 1.2.) :
Les 20 aa protéiques : G, A, V, L, I, P, F, Y, W, S, T, N, Q, C, M, D, E, H, K, R
Polaires/Hydrophiles : N, Q, S, T, K, R, H, D, E, (C, Y)
Non polaires/Hydrophobes : (G), A, V, L, I, P, Y, F, W, M, C
liaisons H par la chaîne latérale : C, W, N, Q, S, T, Y, K, R, H, D, E
soufrés : C, M
chargés négativement à pH7,4 et/ou acides : D, E, (C)
chargés positivement à pH7,4 et/ou basiques : K,R, (H)
ionisables : D, E, H, C, Y, K, R
aromatiques : F, W, Y
aliphatiques : G, A, V, L, I, P
forme des liens covalents (pont disulfure) : C
cyclique (contraint) : P
flexible : G
(les aa entre parenthèses ont le caractère indiqué de manière limitée)
Définitions.
Résidu : composant à la base d'une macromolécule. Le fragment qui est relâché quand les
liaisons qui tiennent les segments du polymère ensembles sont cassés. Dans les protéines, ce
sont les acides aminés.
Chaîne latérale : un groupe chimique qui ressort de la colonne vertébrale ("backbone"). Dans
les protéines, la chaîne latérale qui est liée au carbonne α de la colonne vertébrale , qui donne
chacun des 20 acides aminés avec leur identité chimique.
Hydrophile : tend à interagir avec l'eau. Les molécules hydrophiles sont polaires ou chargées
et, par conséquent, elles sont très solubles dans l'eau. Dans les polymères comme le protéines,
les résidus hydrophiles des chaînes latérales tendent à s'associer avec d'autres résidus

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 5

hydrophiles des chaînes latérales ou avec des molécules d'eau, habituellement par des ponts
hydrogène.
Hydrophobe : tend à éviter l'eau. Les molécules hydrophobes sont non polaires et non
chargées et, par conséquent, elles sont relativement insolubles dans l'eau. Dans les polymères
hydrophobes, les chaînes latérales hydrophobes tendent à s'associer avec d'autres chaînes
latérales hydrophobes pour minimiser leur contact avec l'eau ou avec les chaînes latérales
polaires.
Amphipathique (ou amphiphile) : qui possède les caractères polaire et non polaire et donc
une tendance à former une interface entre les molécules hydrophobes et les molécules
hydrophiles.
L'acide aspartique et l'acide glutamique possèdent, dans leur chaîne latérale, un groupe
carboxyle avec une charge nette négative à pH 7,0. Par contre, les chaînes de la lysine et de
l'arginine contiennent un groupe basique fort, protoné, à charge nette positive à pH 7.0.
D'autres, comme l'asparagine, la glutamine, la sérine et la thréonine possèdent une chaîne
latérale hydrophile, non ionisable, mais tout à fait polaire. D'autre part, on trouve des
propriétés bien différentes dans les chaînes latérales des acides aminés comme la valine, la
leucine, l'isoleucine et la méthionine : leur chaîne latérale est non-polaire et hydrophobe.
On peut, comme dans la figure 1.2., classer les chaînes latérales des acides aminés selon le
degré de leur interaction avec l'eau. Les chaînes latérales hydrophobes, qui sont non-polaires,
sont à peine solubles dans l'eau, alors que les chaînes hydrophiles y sont bien solubles. Les
chaînes hydrophiles polaires peuvent, de surcroît, être réparties selon leur charge, soit neutre,
soit acide, soit basique.
Les propriétés des chaînes latérales des acides aminés déterminent la conformation et la
fonction des protéines.
La conformation d'une molécule est un des arrangements spatiaux des atomes dans la
molécule parmi un nombre infini de possibilités. Ces arrangements différents résultent de la
rotation de groupes d'atomes autour de liaisons simples mais aussi de la modification des
angles de valence et de la modification des longueurs de liaisons.
Plusieurs acides aminés portent des chaînes latérales hydrophobes.
Quatre des acides aminés hydrophobles, l'alanine, la valine, la leucine et l'isoleucine ont un
hydrocarbure saturé comme chaîne latérale.
Malgré leur inertie chimique, ils jouent un rôle important dans la formation et le maintien de
la structure tridimentionnelle des protéines, vu leur propension à se confiner dans les espaces
dépourvus d'eau. L'alanine a une structure relativement simple et est l'acide aminé
prépondérant des protéines.
La structure de la proline s'éloigne radicalement de celle des autres acides aminés, en ce que
sa chaîne latérale est liée à l'azote aussi bien qu'au carbone α central. Par sa liaison à l'azote,
la chaîne de la proline est chimiquement celle d'un acide iminé
(-NH-) plutôt que celle d'un acide aminé (-NH2). Bien que chimiquement inerte, la chaîne à 5
carbones de la proline, cyclisée (noyau pyrrolidine), exerce une contrainte sur la géométrie du
squelette polypeptidique qui la contient, créant parfois de brusques changements de direction
dans sa conformation (coudes).
La phénylalanine et le tryptophane possèdent une chaîne latérale aromatique. Celle du
tryptophane est faite de deux cycles conjugués, l'indole: le tryptophane est donc l'indoleCHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 6

alanine. Les chaînes latérales de la phénylalanine et du tryptophane sont enfouies au cœur
hydrophobe des protéines globulaires.
La méthionine est l'un des deux acides aminés renfermant du soufre. Sa chaîne latérale
contient un groupe méthyl thioéther. Le volume de l'atome de soufre est proche de celui du
groupe méthylène, d'où une certaine ressemblance de la chaîne de la méthionine avec une
chaîne hydrocarbonée aliphatique.
L'autre acide aminé pourvu d'un atome de soufre est la cystéine. Comme le caractère
électronégatif du soufre est fort proche de celui du carbone, la liaison C–S est non polaire.
Pour la même raison la liaison S–H est aussi non polaire. Mais l'atome de soufre est quand
même polarisable, car les électrons de ses orbitales extérieures sont facilement perturbés par
les charges électriques des autres ions ou molécules polaires. Il en résulte que le groupe
sulfhydryle (–SH) de la cystéine est chimiquement réactionnel. En particulier, l'hydrogène du
groupe sulfhydryle peut former des liaisons hydrogène faibles avec l'oxygène et l'azote, tous
deux donneurs de paires d'électrons. Cette interaction est la règle quand une chaîne latérale de
cystéine est enfouie à l'intérieur d'une protéine.
De plus, les groupes sulfhydryle de deux molécules de cystéine peuvent être oxydés en un
disulfure appelé cystine (figure 1.7.). Les ponts disulfure (–S–S–) jouent un rôle important
dans la structure de certaines protéines, en établissant une jonction entre des régions d'une
même chaîne polypeptidique, ou en fixant deux chaînes polypeptidiques différentes associées
dans la même molécule protéique.
R3

O

HS
NH
R4
Cystéine
Cys

Cystéine
Cys

Réduction

Oxydation

R

O

R3

S

O

S

HN

NH
R2

Cystine
Cys Cys

R4

Figure 1.7. Oxydation de deux groupes sulfhydryle cystéiniques. L'oxydation des groupes
sulfhydryle de deux molécules de cystéine forment un disulfure, la cystine.
A cause de sa nature polarisable et de sa capacité à former des liaisons hydrogènes faibles, on
a qualifié de polaire et hydrophile la chaîne latérale de la cystéine; néanmoins, elle n'est pas
réellement polaire et comparée à d'autres molécules hydrophiles, elle est relativement
insoluble.
De tous les acides aminés, la glycine possède la structure la plus simple; sa chaîne latérale est
un simple atome d'hydrogène. Sa taille minuscule confère à la glycine une fonction unique
dans la structure de bon nombre de protéines, car elle s'accommode d'espaces d'où sont exclus
tous les autres acides aminés.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 7

La glycine est classée parmi les acides aminés non-polaires puisque la liaison entre le carbone
α et la chaîne latérale – un simple carbone d'hydrogène – est non polaire.
L'asparagine, la glutamine, la sérine et la thréonine possèdent une chaîne latérale neutre et
hydrophile.
L'asparagine et la glutamine sont les amides dérivés de deux autres acides aminés,
respectivement, le glutamate et l'aspartate. La haute polarité de la chaîne latérale de ces acides
aminés maintient souvent à l'extérieur, dans la phase aqueuse, le domaine structuré de la
chaîne qui les contient. Ces chaînes latérales participent, en plus, à des liaisons reliant des
chaînes différentes dans une protéine globulaire.
Le suffixe "ate" de glutamate ou aspartate signifie que le carboxyle est sous forme d'un anion.
La chaîne latérale de la sérine contient un groupe hydroxyle (–OH). Dans l'environnement
particulier au site catalytique de certaines enzymes, comme la chymotrypsine, ce groupe
hydroxyle est réactionnel; mais en dehors de ces cas précis, le groupe hydroxyle de la sérine
n'est pas plus réactionnel que celui de l'éthanol.
La chaîne latérale de la thréonine contient aussi un groupe
–OH,
beaucoup moins réactionnel, dans les enzymes, que celui de la sérine.

mais

qui

est

La tyrosine provient de la substitution de l'hydrogène para de la phénylalanine par un groupe
hydroxyle. Une chaîne latérale non-polaire est ainsi partiellement convertie en chaîne polaire.
La tyrosine est amphiphile. L'hydroxyle de la tyrosine est un acide faible, au même degré que
celui du phénol. On trouve la tyrosine dans le site actif de certaines enzymes.
La lysine, l'arginine et l'histidine possèdent une chaîne latérale basique, hydrophile
La chaîne latérale de la lysine porte une amine primaire (–NH2) sur la carbone
ε-terminal.
L'arginine est l'acide aminé le plus basique. A pH 7,0, son groupe guanidine est protoné en
ion guanidinium
La chaîne latérale de l'Histidine comporte le noyau imidazole, abrégé Im. Sa forme protonée
est l'ion imidazolium, ImH+
L'aspartate et le glutamate possèdent une chaîne latérale acide, hydrophile.
L'aspartate et le glutamate contiennent des groupes carboxyles acides sur la chaîne latérale.
Comme ces chaînes sont ionisées à pH 7,0, elles confèrent des charges négatives aux
protéines qui contiennent ces acides aminés. C'est pourquoi les termes aspartate et glutamate
sont préférables aux termes acides aspartique et glutamique.
1.2. pH et état d'ionisation
Un acide aminé existe sous différentes formes (Figure 1.8.). En milieu neutre, la forme
prépondérante est l'ion dipolaire. Différents facteurs sont en faveur de cet ion dipolaire en
milieu neutre :
• les acides aminés sont plus solubles dans l'eau que dans les solvants apolaires
• le point de fusion est élevé (> 200 °C)
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 8






absorbe intensément la lumière IR entre 1600 et 1560 cm-1 (-COO-) au lieu de 1760
cm-1 (-COOH)
la constante diélectrique des solutions d'acides aminés est élevée
La constante diélectrique D intervient dans la force F exercée entre deux charges
opposées Q et Q' séparées par une distance r dans un milieu homogène :
!!!!
! =!
!!! !
Cette augmentation de la constante diélectrique des solutions aqueuses d'acides
aminés ne peut s'expliquer que si ces substances sont chargées.
les constantes d'équilibre déterminées expérimentalement

Rappels sur l'ionisation
Constante d'ionisation de l'eau :

pH = log

1
[H + ]

Kw = [H+] [OH-] = 1.10-14

et

pH + pOH = 14

Acide faible
Ka

HA




H + + A−

A− + HOH




HA + OH −

Acide Base

[H + ][A − ]
[HA][OH − ]
Kb =
[HA]
[A − ]
1
1
pK a = log
pK b = log
Ka
Kb
1
1
K a = pKa
K b = pKb
10
10
Ka =

Ka . Kb = Kw
pK a + pK b = 14

[A − ]
x 100
[HAorigine ]
Sel d'acide faible
% ionisation =

A − + H 2O ⇔ HA + OH −

Kh = Kb =

Kw
Ka

Kh = Ka =

Kw
Kb

Sel de base faible

B+ + H 2O ⇔ BOH + H +

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 9

Equations de Henderson-Hasselbalch
[Anion]
[Base]
[A − ]
pH = pK a + log
= pK a + log
= pK a + log
[Molécule]
[Acide]
[HA]
+
[Cation]
[M ]
pOH = pK b + log
= pK b + log
[Molécule]
[MOH ]
Capacité tampon = nombre de môles de H+ ou OH- par litre requises pour changer le pH de 1
unité
Force ionique

I=


Mi = molarité de l'ion i
Zi = charge de l'ion i

1
M i . Zi2

2

Le pH et l'état d'ionisation des groupes carboxyle et amine influence les propriétés physiques
des acides aminés. Une charge nette spécifique, à un pH déterminé, caractérise chacun des
acides aminés. Ces différences de charge sont mises à profit dans les techniques de résolution
de mélanges des acides aminés. Nous verrons d'ailleurs plus loin à quel point l'état ionisable
influence la conformation et la fonction des protéines.
O
H2N

OH
R

Ka '
1

H+
OH-

Ka '
2

AA

H+
OH-

K

Z

O

O

Ka

1

+

H3N

OH
R

AA
Acide conjugué

H+

2

O

-

OH-

Kb

O

Ka

+

H3N

R

H2N

H+

Kb

2

1

AA0
Ion dipolaire (neutre)

O

OH-

-

R

AABase conjuguée

Figure 1.8. Les différents équilibres des acides aminés
K a' =
1

[ H 2 N − CHR − COOH ]"#H + $%
"# + H 3 N − CHR − COOH $%

"# H 2 N − CHR − COO − $%"# H + $%
K a' =
2
[ H 2 N − CHR − COOH ]

"# + H 3 N − CHR − COO − $%"# H + $%
K a1 =
"# + H 3 N − CHR − COOH $%

"# H 2 N − CHR − COO − $%"# H + $%
K a2 = +
"# H 3 N − CHR − COO − $%

"# + H 3 N − CHR − COO − $%"#OH − $%
K b1 =
"# H 2 N − CHR − COO − $%

"# + H 3 N − CHR − COOH $%"#OH − $%
K b2 =
"# + H 3 N − CHR − COO − $%

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 10

L'existence de la forme dipolaire implique un réarrangement caractérisé par la constante
d'équilibre KZ.
"# + H 3 N − CHR − COO − $%
K
K Z = a1
KZ =
K a1'
[ H 2 N − CHR − COOH ]
La constante KZ possède en fait une valeur d'environ 100.000, ce qui implique une
concentration en ions dipolaires 105 à 106 fois plus grande qu'en molécules non chargées. Il
est donc possible de négliger ces dernières.
Le groupe carboxyle d'un acide aminé est un acide faible et le groupe α-aminé, une base
faible. Nous pouvons donc leur appliquer l'équation de Henderson-Hasselbalch pour estimer
la fraction de ces groupes qui s'ionise à chaque pH.
Equations d'ionisation des groupes ionisables des aa.
Fonctions α-COOH de tous les aa, β-COOH de l'acide aspartique (pKa=3,96) et γ-COOH de
l'acide glutamique (pKa=4,32) :
K
a

H+

-COOH

-COO- + H+

OH-

K

b

Considérons d'abord l'ionisation du groupe α-carboxyle. L'équation de HendersonHasselbalch s'écrit :
[Base]
pH = pK a + log
[Acide]

= pK a + log

[RCOO − ]
[RCOOH ]

où R représente le reste de l'acide aminé.
Les pKa des groupes α-carboxyles des acides aminés s'étendent de 1,81 à 2,58 (tableau 1.1.).
Les pka du carboxyles des chaînes latérales de Asp et Glu sont respectivement de 3,96 et 4,32.
Il faut cependant noter que, dans les protéines, les valeurs de pka dépendent de
l'environnement local et de la possiblilité de former des liaisons hydrogènes intramoléculaires
ou des ponts salins avec les résidus environnants. Des investigations sur la ribonucléase A ont
montré que cinq des onze groupes carboxylates des chaînes latérales sont titrés en dessous de
pH 3. Cette valeur basse de pKa est expliquée par la formation de liaisons hydrogènes avec les
résidus avoisinants.
Considérons le rapport [RCOO-]/[RCOOH] à pH 7,0 pour un groupe carboxyle d'acide aminé
quelconque de pKa égal à 2,0. En remplaçant les valeurs correspondantes dans l'équation de
Henderson-Hasselbalch, on obtient:
[RCOO − ]
7, 0 = 2, 0 + log
[RCOOH ]
D'où l'on tire

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 11

10 5 =

[RCOO − ]
[RCOOH ]

Le rapport de concentration de l'anion carboxylate à la concentration de l'acide carboxylique
protoné est de 105, ou 100.000:1. Le groupe α-carboxyle en solution à pH 7,0 est donc
presque exclusivement sous forme d'anion carboxylate. Les pKa des carboxyles des chaînes
latérales du glutamate et de l'aspartate sont aussi bien inférieurs à 7,0; donc, pour ces deux
acides aminés, l'espèce ionique principale à pH 7,0 est celle où les deux groupes carboxyles
de l'acide aminé sont ionisés.
pKa
pKa
pKa
Acide aminé
chaîne latérale
groupe α-COOH
groupe α-NH3
Glycine
2.35
9.78
Alanine
2.35
9.87
Valine
2.29
9.72
Leucine
2.33
9.74
Isoleucine
2.32
9.76
Methionine
2.17
9.27
Proline
1.95
10.64
Phenylalanine
2.58
9.24
Tryptophane
2.43
9.44
Serine
2.19
9.44
Myronine
2.09
9.10
Cysteine
1.86
10.78
8.33
Pyrosine
2.20
9.11
10.11
Asparagine
2.02
8.80
Glutamine
2.17
9.13
Aspartate
1.99
10.00
3.96
Glutamate
2.13
9.95
4.32
Lysine
2.16
9.20
10.80
Arginine
1.82
8.99
12.48
Hystidine
1.81
9.15
6.00
Tableau 1.1. Valeurs de pKa des groupes acides et basiques des acides aminés
Noyau imidazole de l'histidine :
La protonation du groupe imizadole (Im) de la chaîne latérale de l'histidine produit l'ion
imidazolium (ImH+), stabilisé par résonance. Le pka de l'ion imidazolium dans l'histidine est
de 6,0. De l'équation de Henderson-Hasselbalch, on calcule que le rapport [Im]/[ImH] à pH
7,0 est 10:1.

CH2

CH2
C

CH

:NH

NH

+

CH

C

CH

:NH

N:

+

H+

CH

Résonance de l'histidine :
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 12

CH2

CH2
C

CH

:NH

NH

C

CH
+

+

:NH

NH

CH

CH

Groupe guanidine de l'arginine :
La chaîne latérale de l'arginine porte à son extrémité le groupe guanidine, une base forte. La
protonation de l'azote iminé du groupe guanidine donne l'ion guanidinium stabilisé par
résonance. Le pKa du groupe guanidinium est de 12,5; à pH 7,0, le groupe guanidine de
l'arginine existe sous forme protonée.
NH2

NH2

+

C = NH2

C = NH

NH

NH

(CH2)3

(CH2)3

Arg (groupe guanidinium)

+

+

H

pKa = 12,48

Figure 1.8. Ionisation de l'arginine.

+

H2N

C

..NH

..

H2N

2

+

C

..

NH2

CH2

C

NH2

3

..

H2N

+

C

NH2

HN :

HN
CH2

3

..

+

HN:

HN:

..

H2N

CH2

3

CH2

3

Figure 1.9. Résonance de l'arginine
Groupe phénol de la tyrosine :

Figure 1.10. Ionisation de la tyrosine.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 13

Groupe thiol de la cystéine :

Figure 1.11. Ionisation de la cystéine
Fonctions α-NH2 de tous les aa, ε-NH2 de la lysine (pKa=10,80) :
K
a

-NH

H+
+
3

-NH

OH-

2

+ H+

K

b

!

Kdiss
!!"! !! + !! !! !!!! ⇋ !!! !"#! !! + !!!! !! !!
Acide
Base
Base
Acide
conjuguée conjuguée
!

[Base]
[Acide]
[RNH 2 ]
= pK a + log
[RNH 3+ ]

pH = pK a + log

Les pKa des amines α s'étendent de 8,80 à 10,78. A pH 7,0 le rapport de la concentration
RNH2 du groupe aminé libre (la base conjuguée) à celle de l'acide (RNH3+) dont le pKa est 10
s'élève à 10-3, soit 1:1000.
On voit donc bien pourquoi les acides aminés existent sous forme d'ions amphotères à pH 7,0.

Figure 1.12. Distribution des différentes espèces pour la glycine.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 14

Figure 1.13. Distribution des différentes espèces pour l'acide aspartique.
L'ionisation des chaînes basiques des lysine, arginine et histidine suit les mêmes principes. Le
groupe ε-aminé du résidu lysine a un pKa de 10,8, d'où la forme ionique prédominante de
l'amine à pH 7,0 est l'ion ammonium. Dans un environnement basique, une dissociation de la
forme acide transforme l'ion ammonium en groupe aminé non chargé.
..

NH2
O

-O

C

CH
CH
CH
α β γ 2δ ε 2 +
CH2
NH3
CH2

+ OH -

pKa = 10,8
..

NH2
O

-O

C

CH
CH
CH
α β γ 2δ ε 2
CH2
NH
CH2
.. 2

+ HO
2

Figure 1.14. Dissociation du groupe ε-aminé protoné de la lysine à pH alcalin

En règle générale, à chaque déplacement du pH d'une unité de chaque côté de la valeur du pKa
d'un groupe ionisable, le rapport de la concentration de la forme non ionisée à celle de la
forme ionisée est modifié d'un facteur 10. Puisque le pKa des résidus des aspartate, glutamate,
lysine et arginine est éloigné du pH 7,0 d'au moins trois unités, il existe un excès d'au moins
mille fois de leur forme ionisée sur leur forme non ionisée. Le pKa de l'imidazole dans
l'histidine diffère du pH 7,0 d'une seule unité; le rapport de la concentration de l'imizadole à
celle de l'ion imidazolium est 10:1. Les deux espèces coexistent ici en concentration
significative.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 15

Tableau 1.2. Effet d’un environnement non aqueux sur l’ionisation.
Valeurs du pKa en fonction du % de dioxane
% de dioxane

0

20

45

70

Acide acétique

4,76

5,29

6,31

8,34

Glycine
-COOH
-NH2

2,35
9,78

2,63
9,29

3,11
8,49

3,96
7,42

Réactions de disproportion.
Ka1
Ka2
+
O
AA
AA
AAKb2
Kb1
Ka2

0

-

(1) AA + H2O
0

(2) AA + H2O

AA + H3O
Kb2

pour Ala
-10

+

2.10

pour Ala
-12

AA+ + OH-

2.10

Si Ka2 > Kb2 ! excès de H3O+
(3) AA0 + H3O+

1/Ka1

pour Ala

AA+ + H2O

220

(1) et (3) sont les réactions principales
(1) + (3) 2 AA0

K dis

Kdis

AA- + AA+

[ AA− ] [ AA+ ] K a 2
=
=
[ AA0 ]2
K a1

d ' où K dis

[ AA + ]2 K a 2
=
=
[ AA0 ]2 K a 1
[ AA + ]
=
[ AA0 ]

ou

d ' où [ H ] = K a1
+

Ka2
K a1

or

[ AA+ ]
= K a1
[ AA0 ]

[ AA0 ] [ H + ]
K a1 =
[ AA+ ]
Ka2
K a1

= K a1 . K a 2

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Ch.1 - 16

d ' où

pH =

pK a 1 + pK a 2
2

Nombre
par
molécule
(à partir de la
composition en aa)
α-COOH
β- et γ-COOH
Imidazole
α-amino
OH phénolique
ε-amino
Guanidyle

1
10
4
1
6
10
4

Nombre
par
molécule
(à partir de la
courbe
de
titration

pKa
approxim.

11

4,7
6,5
7,8
9,95
10,2
12,0

5
16
4

Tableau 1.3. Groupes titrables de la ribonucléase
Points isoélectriques de quelques protéines
Myoglobine
7
Cytochrome C
Hémoglobine
6,8
Pepsine
Ribonucléase
9,6
β-lactoglobuline
Lysozyme
11,0
Ovalbumine
Chymotrypsinogène 9,5
Uréase
Carboxypeptidase
6,0

10,65
<1
5,2
4,6
5

1.3. Liaisons peptidiques
La liaison qui unit entre eux les acides aminés dans une protéine est la liaison peptidique. Le
carboxylate d'un acide aminé réagit avec le groupe α-aminé d'un autre acide aminé avec une
perte de molécule d'eau (figure 1.15.). Une liaison amide est ainsi formée entre le groupe
carboxyle (C=O) d'un acide aminé et le groupe (N-H) du suivant. Les acides aminés liés en
chaîne polypeptidique sont les résidus d'acides aminés (du latin, residuum, reliquat), ce qui
reste après la perte d'une molécule d'eau par chacun d'eux. Les groupes aminé et carboxylique
libres aux extrémités opposées de la chaîne polypeptidique sont respectivement désignés
N-terminal (aminé terminal) et C−terminal (carboxyle terminal). Les deux espèces sont
ionisées à pH 7,0. Par tradition, les résidus sont numérotés à partir du résidu N-terminal et
écrits de gauche à droite dans l'ordre qu'ils occupent dans la chaîne. C'est l'ordre biologique.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 17

R1

..

HC

R2

H3N

O

H3N

O

-

R2

HC
H3N

O
C

+

-

R1
+

HC

+

O
C

+

O

HC

C
NH

O
C
O

+
-

HO
2

Figure 1.15. Liaison peptidique entre deux acides aminés.
Cette séquence linéaire des résidus d'acides aminés est la structure primaire d'une protéine.
On l'écrit avec les abréviations des acides aminés, soit à trois lettres, soit à une lettre. Les
peptides sont des amides dérivées de la liaison entre deux ou plusieurs acides aminés. Les
liaisons amides sont formées par réaction du –COOH d'un acide aminé avec le NH2- de l'acide
aminé suivant avec perte d'eau. Les termes dipepdide, tripeptide, peptide, oligopeptide et
polypeptide sont utilisés pour caractériser la longueur de la chaîne. Les chaînes de deux
résidus sont des dipeptides, celles de trois résidus, des tripeptides; on appelle souvent
peptides les peptides de moins de 50 résidus et polypeptides ceux qui contiennent plus de
10-20 résidus. Un oligopeptide contient maximum 10-20 résidus.
Parmi les protéines, on distingue les homoprotéines et les hétéroprotéines.
Les homoprotéines contiennent exclusivement des acides aminés.
Les hétéroprotéines contiennent également une partie non protéique, appellée groupement
prosthétique. Suivant ce groupe, on parle de nucléo-, lipo-, glyco-, phospho- hémo-, flavoou métallo-protéines (p.ex. le fer, le zinc, le calcium, le molybdène ou le cuivre dans les
métallo-protéines).
Comme le montre la figure 1.16., il existe plusieurs représentations de la liaison peptidique et
des liaisons contiguës. Dans la conception de la figure 1.16.a, le carbone carbonyle est lié à
l'oxygène par une liaison double et l'azote amide possède un doublet électronique libre. Mais
dans la figure 1.16.b, la paire d'électrons de la liaison carbonyle s'est déplacée complètement
sur l'atome d'oxygène et la paire d'électrons auparavant non partagés sur l'azote amide
contribue maintenant à la liaison double avec le carbone carbonyle. Dans les années 1950,
Linus Pauling montra que lorsqu'on peut représenter une molécule par plus d'une formule
électronique, c'est que la structure réelle est la structure hybride, autrement dit, un mélange
des structures extrêmes. Pour désigner cette structure réelle, il forgea le nom d'hybride de
résonance. Dans la structure d'hybride de résonance de la liaison peptidique de la figure
1.16.c, la paire d'électrons de la liaison C=0 (figure 1.16.a) s'est délocalisée seulement
partiellement vers l'oxygène et le doublet électronique libre porté auparavant par l'azote s'est
délocalisé seulement partiellement vers le carbone carbonyle. Pour cette raison, on dit que la
structure d'hybride de résonance est un intermédiaire stabilisé entre les structures extrêmes
représentées dans les figures 1.16.a et 1.16.b. La liaison C−N de la liaison peptidique possède
ainsi partiellement le caractère de liaison double.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 18

R1
HC

α1
C

NH
O

H

..

N

a

R2

CH
α2

R1
HC

α1

NH
O

-

H

C

δ

b

R2

H

δ+
C

−O

N

CH
α2

R1
α1
HC
NH

+

N
α2

R2

c

CH

Figure 1.16. Structure de la liaison peptidique
Comme l'oxygène (χ=3,5) est plus électronégatif que l'azote (χ=3,0), les électrons délocalisés
de la liaison peptidique sont plus rapprochés de l'oxygène. Il en résulte que la liaison
peptidique est polaire. L'oxygène carbonyle porte une charge négative partielle et peut devenir
un accepteur d'hydrogène dans les liaisons hydrogène, réciproquement, l'azote amide de la
liaison peptidique porte une charge positive partielle et peut jouer le rôle de donneur
d'hydrogène.
Le caractère partiel de liaison double dans la liaison peptidique suffit à prévenir la rotation
autour de la liaison C−N, aux températures physiologiques; cela fixe dans un même plan les
six atomes participant à la liaison peptidique : C 1, C, O, N, H et C 2. Vu ce caractère, il
n'existe que deux configurations possibles autour de la liaison peptidique. Elles sont mises en
regard dans la figure 11. En configuration trans, la chaîne polypeptidique s'étend de l'un à
l'autre des coins opposés du plan rectangulaire englobant les atomes de la liaison peptidique.
Dans la configuration cis, les deux atomes C des résidus d'acides aminés voisins sont plus
proches l'un de l'autre. Ce rapprochement entraîne une répulsion stérique, c'est à dire spaciale
entre les chaînes latérales des deux carbones α, rendant la configuration cis moins favorable
que la configuration trans, Presque tous les résidus d'acides aminés protéiques adoptent la
configuration trans, dans laquelle la répulsion stérique est minimale (Figure 1.18.).
Pour la proline, la configuration cis est aussi probable que la configuration trans, parce que
l'azote amide de la proline fait partie d'un cycle. C'est pourquoi la proline impose une légère
courbure à la chaîne peptidique.
α

α

α

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 19

teins

222

determined the X-ray structures of several amino acids
and dipeptides in an effort to elucidate the structural
constraints on the conformations of a polypeptide chain.
These studies indicated that the peptide group has a rigid,
planar structure (Fig. 8-1), which, Pauling pointed out, is a
Chapter 8. Three-Dimensional Structures of Proteins

consequence of resonanceOinteractions that give the peptide
R
bond an !40% double-bond character:
O
120.5°
C
1N
1.5
H

H

R

H

1.24

H

R
Amide
plane

O"
123.5°
Peptide
C ' bond
N
122°

1.4
7

1.0

1.2
4

3
1 .5



termined by its
C
C
α
aively suppose
e same 20 types
1
118° 126°
6 111°
H
116° .33
re or less alike
1.4
N
1.32
unfolded) proCα
113°
119°
C
N
118.5°
119.5°
kind of homo- This explanation is supported by the observations that a
123° 121°
than Amide
its N¬C!
dangling side peptide’s C¬N bond is 0.13 Å shorter
1.0
that its C “ O bond is 0.02 Å longer than
structure of a single bond and
Peptide
H
plane
bond’s resobond
specified by its that of Raldehydes and ketones. The peptide
H
O
H
set of charac- nance energy has its maximum value, !85 kJ ! mol"1,
when the peptide group is planar because its #-bonding
Figure
1.17. Configurations
autour
de laFigure
liaison
(Voet,
8-2 peptidique
The cis-peptide
group. 2011)
See Kinemage Exercise 3-1
Figure 8-1
The trans-peptide
group. The standard
dimensions
is maximized in this conformation. This overlap,
ural features of overlap
(in angstroms, Å, and degrees, °) of this planar group were
thus the
energy,
falls to zero
as the
, and their hier- and derived
byresonance
averaging the
corresponding
quantities
inpeptide
the X-ray
is twisted
to 90°
out of
planarity,
thereby
accountctures. This will bond
crystal
structures
of amino
acids
and peptides.
[After
Marsh,
peptide
rigidity.
(The
positive
ure–function re- ing for
R.E.the
andplanar
Donohue,
J., Adv.group’s
Protein Chem.
22, 249
(1967).]
Seethe
Kinemage
3-1
ochemical roles charge on
of each of its amino acid residues. These angles, % and &,
aboveExercise
resonance
structure should be taken
are both defined as 180° when the polypeptide chain is in
as a formal charge; quantum mechanical calculations indicate that the peptide N atom, in fact, has a partial neg- 221 its planar, fully extended (all-trans) conformation and increase for a clockwise rotation when viewed from C!
ative charge arising from the polarization of the C¬N $
(Fig. 8-4).
bond.)
There are several steric constraints on the torsion anPeptide groups, with few exceptions, assume the trans
gles, % and &, of a polypeptide backbone that limit its conconformation: that in which successive Ca atoms are on opformational range. The electronic structure of a single ($)
posite sides of the peptide bond joining them (Fig. 8-1).
bond, such as a C¬C bond, is cylindrically symmetrical
This is partly a result of steric interference, which causes
about its bond axis, so that we might expect such a bond to
the cis conformation (Fig. 8-2) to be !8 kJ ! mol"1 less
were the case, then in ethane,
stable than the trans conformation
Trans (this energy difference exhibit free rotation. If thisCis
for example, all torsion angles about the C¬C bond would
is somewhat less in peptide bonds followed by a Pro
Figure 1.18. Configuration trans et cis des liaisons
peptidiques partagées par la proline.
be equally likely. Yet certain conformations in ethane are
residue and, in fact, !10% of the Pro residues in proteins
favored due to quantum mechanical effects arising from
follow a cis peptide bond, whereas cis peptides are otherthe interactions
of its
molecular orbitals.
Theetstaggered
wiseLa
extremely
liaisonrare).
peptidique de la proline passe de l'une
à l'autre des
configurations
trans
cis. La
conformation (Fig. 8-5a; torsion angle ( 180°) is ethane’s
configuration trans introduit une répulsion stérique entre le groupe δ du noyau pyrrolidone et
most stable arrangement, whereas the eclipsed conformaa. Polypeptide Backbone Conformations May Be
la chaîne
latérale
duAngles
résidu de l'acide aminé
Comme
desThedeux
tion adjacent.
(Fig. 8-5b; torsion
angle les
( 0°)énergies
is least stable.
enDescribed
by Their
Torsion
ergy difference
staggered
conThe
above considerations
because
theyau niveau
configurations
sont à are
peuimportant
près égales,
c'est
du seulbetween
résiduthe
proline
queand
deseclipsed
structures
, a quantity
formations
in Dans
ethane les
is !12
kJ ! mol"110
indicate
that the peuvent
backbone contenir
of a protein
a linked seprotéiques
desis liaisons
peptidiques
cis.
protéines,
à 30% that
des
quence of rigid planar peptide groups (Fig. 8-3). We can
represents an energy barrier to free rotation about the
prolines
ont aune
liaison peptidique
sous forme C¬C
cis. La
conversion
cis-trans other
est très
pour
single
bond. Substituents
thanlente
hydrogen
therefore
specify
polypeptide’s
backbone conformaelle
peut(rotation
être catalysée
par desanenzymes.
tionlabyproline,
the torsion
angles
angles or dihedral
exhibit greater steric interference; that is, they increase
the size of this energy barrier due to their greater bulk.
gles) about the C!¬N bond (%) and the C!¬C bond (&)

1.4. Propriétés des acides aminés
Absorption dans l'UV
Aucun des acides aminés retrouvés dans les protéines n'absorbe dans le visible. Trois d'entre
Main
chain
eux
absorbent
dans l'UV entre 260 et 280 nm. Il s'agit de la phénylalanine, du tryptophane et
de la tyrosine. Comme on trouve de la tyrosine dans presque la totalité des protéines, une
lecture à 280nm, après étalonnage, peut servir à déterminer une teneur en protéine.
Side chain

Absorbance
Absorbance
molaire
Figure 8-3 A polypeptide chain in its fully extended conformation
showing the planarity
of
Acide aminé
each of its peptide groups. [Illustration, Irving Geis. Imagemaximum
from the Irving
Geis Collection,
(nm)
(M-1 cm-1)
Howard Hughes Medical Institute.
Reprinted with permission.] 257,4
Phénylalanine
197
Tyrosine
Tryptophane

274,6
279,8

1420
5600

Tableau 1.4. Absorbance UV des acides aminés aromatiques.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 20

Trp
Tyr
Tyr en milieu alcalin

Phe

Figure 1.19. Effet du pH sur l'absorbance des acides aminés aromatiques
Hydrophobicité
La solubilité des acides aminés dans l'eau dépend essentiellement des groupements polaires et
apolaires.
Différentes méthodes sont utilisées pour calculer l'hydrophobicité des acides aminés : la
surface accessible au solvant, le rapport de solubilité entre deux solvants, la chromatographie.
Les résultats obtenus sont différents d'une méthode à l'autre.
L'hydrophobicité des acides aminés peut être déterminée à partir des solubilités respectives
des acides aminés d'une part dans l'eau et d'autre part dans un solvant organique comme par
exemple l'éthanol. L'énergie libre de transfert d'une mole d'acide aminé d'une solution
aqueuse vers une solution éthanolique est égale à :
!é!"#$%&
!!! = ! −!"!!"
!!"#
Avec Séthanol = la solubilité de l'acide aminé exprimée en mole par litre dans l'alcool et Seau = la
solubilité dans l'eau, également exprimée en moles par litre. (On ne tient pas compte des
coefficients d'activité).
Si l'acide aminé possède plusieurs groupes fonctionnels,
ΔG° = ΣΔG°'
Ainsi, par exemple la phénylalanine peut être divisée en 2 groupes à savoir le groupe toluyl et
le groupe glycyl. L'énergie libre de transfert sera dès lors la somme de 2 énergies de transfert,
celle du groupe glycyl et celle du groupe toluyl. Comme chaque acide aminé est constitué du
groupe glycyl et d'un groupe constituant sa chaîne latérale, on peut écrire que l'hydrophobicité
de la chaîne latérale d'un acide aminé est celle de l'acide aminé moins celle de la glycine.
ΔG° chaîne latérale = ΔG° acide aminé - ΔG° glycine

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 21

Le tableau suivant donne les valeurs de l'hydrophobicité des chaînes latérales en kj par mole.
Acide aminé
Alanine
Arginine
Asparagine
A Aspartique
(Cystine)/2
Glutamine
A glutamique

ΔG°
3,1
3,1
-0,04
2,25
4,2
-0,4
2,3

Acide aminé
Glycine
Histidine
Isoleucine
Leucine
Lysine
Methionine
Phénylalanine

ΔG°
0
2,1
12,4
10,1
6,25
5,45
11,1

Acide aminé
Proline
Sérine
Thréonine
Tryptophane
Tyrosine
Valine

ΔG°
10,85
0,17
1,85
12,55
12
7,05

Tableau 1.5. Hydrophobicité des chaînes latérales des acides aminés.
Le tableau suivant donne l'hydrophobicité à pH 2 et à pH 7 :
A pH 2
Très hydrophobe
Leu
100
Ile
100
Phe
92
Trp
84
Val
79
Met
74
Hydrophobe
Cys
52
Tyr
49
Ala
47
Neutre
Thr
13
Glu
8
Gly
0
Ser
-7
Gln
-18
Asp
-18
Hydrophile

A pH 7
Phe
Ile
Trp
Leu
Val
Met

100
99
97
97
76
74

Tyr
Cys
Ala

63
49
41

Thr
His
Gly
Ser
Gln

13
8
0
-5
-10

Arg
-14
Lys
-23
Asn
-28
Glu
-31
Pro
-46 (à pH2)
Asp
-55
Valeurs normalisées : Gly à 0 et le plus hydrophobe à 100.
Arg
Lys
Asn
His
Pro

-26
-37
-41
-42
-46

Tableau 1.6. Hydrophobicité des acides aminés à pH 2 et pH 7.
Dans cette table, on observe des glissements pour les acides aminés acides et pour l'histidine
en fonction du pH.
1.5. Dosage des acides aminés.
La méthode de Stein et Moore permet de doser les acides aminés après hydrolyse des
protéines.
Cette méthode sera détaillée dans la partie chromatographie.
!

1.5.1. Hydrolyse des protéines en acides aminés.
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 22

Pour effectuer le dosage des acides aminés présents dans les protéines, il faut tout d'abord
hydrolyser les liaisons peptidiques reliant les acides aminés entre eux dans les protéines.
Trois méthodes sont nécessaires pour déterminer l'ensemble des acides aminés.
Hydrolyse acide (HCl 6N pendant 24h).
:O :
C
R1

..
:O
R1

C

..NH

:O
+ H+

R2

C
R1

- H+

..
:O

H

..

NH

:..
OH

+

+ H+

R2

- H+

R1

C

..

..
NH

+ H O:
2

R2

R1

..:

-HO

NH R2

- H+

R1

+ H+

..

C

NH

R2

:..
OH

:
H

:O

:..
OH

..

C

H

..
:O

+
OH2

2

H

+
NH2

H

..
:O

H

R2

+

C
R1

:O:

..

..
OH
..

H2N R2

C
R1

+

..
OH
..

H3N R2

Figure 1.20. Hydrolyse acide du lien peptidique.
Cette hydrolyse convient à la majorité des acides aminés.
Cependant, Asn et Gln sont transformés en Asp et Glu respectivement.
La Met est parfois partiellement dégradée et de l'ordre de 30% de la cystéine sont perdus.
Le tryptophane est complètement dégradé.
Hydrolyse acide après oxydation performique (oxydation avec de l'acide performique puis
HCl 6N pendant 24h).
Les acides aminés soufrés sont d'abord oxydés par de l'acide performique pour les protéger de
la dégradation.
La cystéine est transformée en acide cystéique et la méthionine en méthionine sulfone :
Lors de cette hydrolyse, les mêmes remarques que l'hydrolyse précédente sont à faire pour les
acides aminés non soufrés. De plus, la tyrosine est partiellement dégradée.
Hydrolyse basique (p.ex. Ba(OH)2 pendant 24h)
:O :
C
R1

..
NH

R2

.. _
HO:

.. :O:
R1 C

:..
OH

: O:

..

NH R2

C
R1

..
OH
..

: O:

..HN R2
..

C
R1

..O
..

H2N R2

Figure 1.21. Hydrolyse alcaline du lien peptidique.
Cette hydrolyse préserve le tryptophane. La méthode de séparation et de détection est
spécifique du tryptophane. On ne dose donc pas les autres acides aminés.
!

1.5.2. La coloration des acides aminés

La ninhydrine.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 23

La décarbonisation oxydative des acides α-aminés peut se faire au moyen de la ninhydrine.
Au cours de la réaction, il y a production de CO2, de NH3 et d'un aldéhyde ayant un atome de
carbone de moins que l'acide aminé dont il provient. La ninhydrine réduite réagit alors avec
l'ammoniac libéré et forme un complexe bleu qui absorbe au maximum la lumière de longueur
d'onde 570nm. L'intensité de la couleur bleue est à la base d'une méthode quantitative très
utile pour doser les acides α-aminés; elle permet de déceler aussi peu qu'un µg d'acide aminé.
Les amines autres que les acides α-aminés réagissent aussi avec la ninhydrine pour former un
complexe bleu mais sans dégagement de CO2. Le dégagement de CO2 indique donc la
présence d'un acide α-aminé. Cette réaction a lieu aussi avec NH3 et les peptides mais à une
vitesse beaucoup plus lente que dans le cas des acides α-aminés. La proline et la
4-hydroxyproline donnent une couleur jaune avec la ninhydrine. Le complexe formé absorbe
alors à 440 nm.

Figure 1.22. Réactions de la ninhydrine avec la fonction amine.
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CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 24

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La fluorescamine est un réactif encore plus sensible qui peut déceler des nanogrammes d'un
acide aminé. Tout comme la ninhydrine, la fluorescamine forme un complexe avec les amines
autres que les acides aminés.

Figure 1.23. Réaction de la fluorescamine avec la fonction amine.

1.6. Dosage des protéines
Le dosage des protéines peut être effectué par différentes méthodes.
!
1.6.1. Méthode Kjeldhal.
Parmi celles-ci, la méthode de Kjeldhal s'appuie sur le dosage de l'azote.
La méthode de Kjeldhal comporte trois étapes.
La digestion de la matière organique.
La matière organique est minéralisée à haute température (400 °C) en présence d'un acide fort
(H2SO4 concentré), d'un catalyseur et de sel (K2SO4). L'azote organique est transformé en
sulfate d'ammonium (NH4)2SO4.
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!"#$%!!"#$%&'() + ! !! !!! ! → !!! ! !!! + !! ! + !!! + !"#$%&!!"#! − !"#$%&'(
!"#"$%&'() + !! !!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

La distillation.
On ajoute un excès de NaOH pour convertir le NH4+ en NH3 et on entraîne le gaz NH3 par de
la vapeur d'eau.
(!!! )! !!! + !!!"#$! → !!!!! ↑ ! +!!! !!! + !!!! !

Sulfate
d'ammonium

Ammoniac

Le NH3 est récupéré soit
dans une solution de H2SO4 (ou de HCl) de concentration connue (pour la titration en retour)
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 25

!!!!! + !!!! !!! ! → (!!! )! !!! + !! !!!

Ammoniac Acide sulfurique

Acide sulfurique
standard en excès

soit dans une solution d'acide borique (H3BO3) (pour la titration en direct).
!
!!! + !! !!! ! → !"!
! : !! !!! + !! !!!

Ammoniac

Acide
borique

Complexe
ammoniumborate

Acide borique
en excès

Titration.
Titration en retour.
L'excès d'acide HCl ou H2SO4 contenu dans le flacon de réception est titré par une solution de
soude de concentration connue.
!! !!! + !!!"#$! → ! (!")! !!! + !! !

Acide sulfurique
en excès

Titration en direct.
!
!!!!"!
! : !! !!! + !! !!! ! → (!!! )! !!! + !!!!! !!!

Complexe
ammonium-borate

Le point d'équivalence du titrage est déterminé par le changement de couleur d'un indicateur
colorimétrique.
Les calculs pour le % d'azote doivent tenir compte du type de solution de réception et des
dilutions éventuelles.
Les protéines brutes sont obtenues en multipliant le % d'azote par un facteur qui tient compte
des différents acides aminés présents dans la matrice et de leur teneur en azote.
Le facteur banal est de 6,25 (les protéines contiennent 16% d'azote en moyenn).
%!!"!!"#$é!"# = !, !"!!!.!!!%!!′!"#$%

Facteur banal

Facteur de
conversion
6,25

Produits animaux
œufs, viande
lait et dérivés
gélatine

6,25
6,38
5,35

Matrice

Produits végétaux
Céréales
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 26

Blé :

grain entier
5,83
amande
5,70
germe
5,80
son
6,31
Avoine, millet, orge
5,83
Maïs
6,25
Riz
5,95
Seigle
5,83
Sorgho
6,25
Légumineuses
Arachide
5,46
Haricot et pois
6,25
Soja
5,71
Noix et graines
Amande
5,18
Noisette, noix
5,30
Coton, lin
5,30
Tournesol, sésame
5,30
Tableau 1.7. Facteurs de conversion azote-protéine.
!

1.6.2. Méthode de détection par spectrométrie UV

Les acides aminés aromatiques absorbent dans l'ultraviolet (voir point 1.4. Propriétés des
acides aminés).
!
1.6.3. Méthode de Lowry (réactif phénol de Folin & Ciocalteu), seuil de
1µg :
Les protéines réduisent des acides mixtes phosphomolybdiques-tungstiques en causant la
perte de un, deux ou trois atomes d'oxygène des molybdates et tungstates. Cela produit des
espèces réduites avec une couleur bleue caractéristique dont le maximum d'absorption se situe
à 745-750 nm. Des ions de cuivre sont généralement ajoutés car ils facilitent le processus de
réduction.
3!!! !! ∙ !! !! ! ∙ 13!!!! ! ∙ 5!!"!! ! ∙ 10!!! !
3!!! !! ∙ !! !! ! ∙ 14!!!! ! ∙ 4!!"!! ! ∙ 10!!! !
Les principaux groupes chromogéniques sont les liaisons peptidiques, les acides aminés
aromatiques Tyr et Trp et les chaînes latérales polaires.
Le rendement de coloration dépend donc de la composition en acides aminés de la protéine.
La coloration est cependant assez constante d'une protéine à l'autre.
Un désavantage de cette méthode est le nombre de substances non protéiques qui interfèrent
en produisant par elle-mêmes une coloration bleue ou en interférant avec le développement de
la couleur des protéines. Remarquons que ce réactif ne contient pas de phénol mais il peut être
utilisé à la détection des composés phénoliques.
!

1.6.4. Méthode de Biuret, seuil de 100µg.

Une méthode plus spécifique mais moins sensible est la méthode de biuret.
CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 27

On ajoute une solution diluée de sulfate de cuivre dans un tartrate double de sodium et de
potassium fortement alcalin (NaOH) à la solution de protéines.
En milieu alcalin, les protéines qui possèdent au moins 4 liaisons peptidiques forment avec les
ions cuivre II (Cu2+) un complexe bleu-violet dont l'intensité de la couleur est proportionnelle
à la concentration en protéines. Le complexe possède un maximum d'absorbance à 540 nm.
Cette coloration varie également en fonction de la nature des protéines à doser, de l’alcalinité
du milieu, de la concentration en sulfate de cuivre et de la température.

Figure 1.24. Complexation des peptides avec le Cu2+.
!

1.6.5. Méthode au Bleu de Coomassie R250, seuil de 1µg

Ce colorant est fort utilisé pour révéler les protéines séparées par électrophorèse mais sert
aussi au dosage des protéines (méthode de Bradford).
Le Bleu de Coomassie forme des complexes très forts, non covalents avec les protéines
probablement par interactions électrostatiques avec les groupes NH3+ et par interactions de
van der Waals.
Pour l'application sur les gels d'électrophorèse, la protéine est rendue insoluble dans le gel et
l'excès de colorant est enlevé après coloration pour obtenir un fond clair.

Figure 1.25. Bleu de Coomassie R250.
!

1.6.6. Méthode à l'argent, seuil de 0,001µg (1ng)

Cette technique est fort utilisée en électrophorèse.
Le principe est le même qu'en photographie, la réduction autocatalytique de l'argent, soit la
réduction des ions argent en argent métallique. Cette réduction est fortement accélérée quand
un peu d'argent métallique est déjà présent (image latente).
Cela veut dire que l'image va apparaître aux endroits où la réduction commence.
Les acides aminés des protéines, particulièrement les aromatiques, réduisent le nitrate d'argent
et forment des complexes métallique d'argent de couleur jaune-brun à brun.

CHIM9239-2 - Ch1. Les acides aminés v2.docx

Ch.1 - 28

2. Protéines
2.1.

Introduction

Les protéines ou protides sont constitués de C,H,O et N. On peut y trouver du S, du P et des
métaux. Ce sont généralement d'immenses molécules (la MM peut aller jusqu'à plusieurs
millions de daltons) qui par hydrolyse donnent des unités simples appelées acides aminés.
Les acides aminés sont donc les maillons simples d'une chaîne structurée appelée protéine ou
protide.
Les protéines sont responsables des fonctions vitales d'une cellule. Alors que l'eau sert très
souvent de solvant, que les sucres et les lipides servent très souvent de réserve et de source
d'énergie, les protéines ont des fonctions dans la croissance, la nutrition, la mobilité, la
reproduction d'une cellule.
A l'inverse des polysaccharides dont la diversité n'est finalement pas énorme (ce sont souvent
les mêmes sucres qui forment les polymères), à l'inverse des huiles et graisses pour lesquelles
les triglycérides sont rarement en nombre important (il y a 15 à 20 triglycérides différents au
plus) les protéines sont infiniment complexes, non seulement par leurs constitutions en acides
aminés, mais aussi par leurs structures spatiales.
En alimentation ce sont les acides aminés que les protéines apportent qui sont importants, tant
par leur diversité que par leur rapport. Les fonctions et les structures des protéines sont de peu
d'utilité. Lors de la mastication, de la digestion d'un aliment il ne reste finalement que des
fractions suffisamment petites pour être absorbées par la paroi intestinale.
Les protéines remplissent toutefois de nombreux rôles tels que :
• Catalyseurs biochimiques dénommés enzymes. Les enzymes catalysent presque toutes
les réactions chimiques de la cellule et augmentent de plusieurs ordres de grandeur la
vitesse de ces réactions. Sans leur remarquable pouvoir d'accélérer catalytiquement
plus d'un million de fois la vitesse des réactions, la vie telle que nous la connaissons
ne serait pas possible.
• Des protéines désignées collectivement immunoglobulines assurent la première ligne
de défense contre les infections bactériennes et virales.
• Les protéines transporteuses véhiculent les molécules au travers des membranes. Sans
cet échange, les cellules mourraient d'inanition
• de nombreuses hormones telle l'insuline sont des protéines. Ces protéines de
régulation commandent maints aspects de la vie cellulaire, allant du métabolisme à la
reproduction
• les protéines structurales assurent la charpente mécanique des animaux et forment
parfois leur enveloppe
• des ensembles protéiques assurent la contraction musculaire et permettent la mobilité
cellulaire, y compris le déplacement des bactéries et des spermatozoïdes
• le cytosquelette est constitué de protéines
2.2.

Teneur en protéines des aliments

Il existe plusieurs méthodes de dosage des protéines, dont certaines sont spécifiques pour des
milieux déterminés. Il existe ainsi des méthodes adaptées pour les protéines du sang, de
l'urine, de certains liquides physiologiques. Ce sont souvent des méthodes colorimétriques
(Bradford, Biuret, …).
Le méthode qui est universellement utilisée pour les aliments est la méthode de Kjeldahl. Elle
consiste en une minéralisation à haute température dans l'acide sulfurique concentré. Toute la
CHIM9239-2 - Ch2. Les protéines v3.docx

Ch.2 - 1

matière organique est détruite. Seuls les métaux sont présents sous forme de sulfates. L'azote
que contiennent les protéines est intégralement transformé en ion ammonium. Il suffit de
rendre le milieu basique par ajout d'une base forte en excès pour que l'ammonium devienne
ammoniac. Celui-ci est récupéré et titré. On peut déterminer ainsi la teneur en AZOTE d'un
aliment (voir chapitre 1).
Par calcul on détermine la teneur en protéines sachant que les protéines contiennent en
moyenne 16% d'azote.
PROTEINES = N x 6.25 = protéines brutes
Aliment
Fromages
Charcuteries
Viandes
Poissons
Œufs
Lait
Pain
Pommes de terre
Lait en poudre
Fruits et légumes

% Protéines
14 à 35
20
15 à 20
15 à 20
13
3 à 3.5
7à8
2
35
2

Tableau 2.1. Teneur en protéines de différents produits
Il faut cependant faire attention à l'origine de l'azote alimentaire. L'azote ne se trouve pas
uniquement dans les protéines.
On peut trouver, en plus des protéines, des produits de dégradation et du métabolisme des
protéines comme des amides, de l'urée, des amines (tyramine…) de la créatinine (extraits de
viande), des alcaloïdes (caféine), des vitamines (B1 et B2, folates…), des produits de la
réaction de Maillard (pyrazines), de la chitine (champignons), des nitrates et nitrites. Certains
aliments
(potages en sachets) sont fortement enrichis en glutamates dont la teneur en azote est moindre
que 16% (facteur de conversion pour le glutamate de sodium:12.1).
Facteur de conversion pour le glutamate de sodium = 12,1
MMN = 14,01
MMGlu = 147,13
MMGlu-Na = 169,11
Facteur Glu-Na = 169,11/14,01 = 12,07
Toutes ces sources d'azote (sauf les nitrates et nitrites qui sont peu réduits en ammonium lors
de la minéralisation) donneront du sulfate d'ammonium. On peut, dans certains cas bien précis
vouloir connaître les seules protéines (si on sait que les autres sources sont relativement
importantes). Dans ce cas, on précipite les protéines en présence d'acide, par exemple, et on
dose l'azote dans le précipité.
CHIM9239-2 - Ch2. Les protéines v3.docx

Ch.2 - 2

L'azote volatil (venant d'amines comme la triéthylamine et l'oxyde de triéthylamine produits
par décomposition) est parfois dosé (sans minéralisation préalable) pour déterminer l'état de
fraîcheur de poissons ou crustacés.
2.3.

La valeur nutritive des protéines.

Beaucoup d'acides aminés sont seulement synthétisés par les plantes et les microorganisme.
Les acides aminés constitutifs des protéines qui ne sont pas synthétisés par les mammifères
sont dits acides aminés indispensables ou acides aminés essentiels.
Les acides aminés qui peuvent être synthétisés par les mammifères sont dits acides aminés
non essentiels. Le tableau suivant reprend la liste des acides aminés essentiels.
Parmi les acides aminés non essentiels, certains sont dits acides aminés conditionnellement
indispensables.
Acides aminés
indispensables

Acides aminés
conditionnellement
indispensables

Histidine
Isoleucine
Arginine
Leucine
Cysteine
Lysine
Glutamine
Methionine
Glycine
Phenylalanine
Proline
Threonine
Tyrosine
Tryptophane
Taurine
Valine
Tableau 2.2. Acide aminés indispensables ou conditionnellement indispensables.
L'arginine n'est pas synthétisée en suffisance chez les enfants. La proline qui intervient dans la
synthèse du collagène devient essentielle en cas de cicatrisation et de brûlures étendues. La
taurine (acide 2-aminoethanesulfonique, NH2-CH2-CH2-SO3H) n'est pas un acide aminé
constitutif des protéines. Elle se trouve en quantité importante dans le lait et elle intervient par
exemple dans le développement psychomoteur des enfants.
Une protéine de haute qualité nutritionnelle est une protéine fortement digestible et contenant
les 9 acides aminés indispensables dans des proportions suffisantes pour couvrir les besoins
de l’espèce humaine.
Les humains peuvent couvrir leurs besoins journaliers en protéines et en acides aminés
essentiels en
• Consommant suffisemment de protéine(s) de haute qualité nutritionnelle
• Consommant une quantité suffisante d’une combinaison de plusieurs protéines de
moindre qualité
La complémentation des protéines peut se faire sur l’ensemble de la journée, compte tenu des
réserves corporelles.
Exemples de complémentation :
Les céréales sont déficientes en lysine et les légumineuses en méthionine mais les céréales
contiennent beaucoup de méthionine et les légumineuses beaucoup de lysine. Un mélange de
CHIM9239-2 - Ch2. Les protéines v3.docx

Ch.2 - 3

haricot (légumineuse) avec du blé (céréale) permet de complémenter adéquatement ces deux
acides aminés.
Un autre exemple de complémentation protéique est de mélanger des protéines de soja avec
du maïs ou encore de la farine de blé avec de la caséine. Dans ces deux cas, la qualité
protéique de la combinaison excède celle des deux protéines prises individuellement : la
combinaison a un effet synergique.
Les protéines de bonne qualité sont celles qui sont facilement digestibles et qui contiennent
les acides aminés essentiels en quantités qui correspondent aux exigences humaines.
Pour une protéine l'indice DI-SCO (ou indice chimique corrigé par la digestibilité,
Digestibilité Score) ou "PDCCAS" ("Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score)
permet d'obtenir rapidement une bonne idée de la valeur nutritive d'une protéine. C'est en fait
l'indice chimique ("Chemical Score") qui est corrigé par la digestibilité de la protéine.
Pour calculer l'indice chimique, on utilise les données de la FAO (1991) qui représentent les
proportions optimales des différents acides aminés pour des enfants de 2 à 5 ans. Ce groupe
est plus exigeant que les tranches d'âge supérieures. L'indice chimique est le plus petit rapport
(Ech/FAO)*100 pour les différents acides aminés essentiels. Dans l'exemple suivant, l'acide
aminé le plus limitant est la lysine.
Indice chimique d'un échantillon sur base
des valeurs FAO/WHO (1991)
Calcul indice
FAO
mg/1g prot

Echantillon

& Ech.
#
. 100 !
$=
% FAO
"

Thr

34

39,55

116

Val

35

44,10

126

Met + Cys-Cys

25

22,25

89

Ile

28

31,65

113

Leu

66

53,90

82

Tyr + Phe

63

56,50

90

His

19

16,35

86

Lys

58

43,70

75

Trp

11

13,10

119

Protéines (%) =

21,7
Indice chimique =

75,34

Tableau 2.4. Calcul de l'indice chimique.

La digestibilité est mesurée sur des rats.
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Les valeurs de digestibilité peuvent être tirées de bases de données pour des produits
alimentaires bien définis, bruts ou transformés.
La digestibilité des protéines animales natives avoisine les 90% et celle des protéines
végétales natives va de 60 à 70%.

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Ch.2 - 4

Tableau 2.4. Valeur de la digestibilité de protéines chez les humains
Digestibilité
Digestibilité
Source de protéines
Source de protéines
vraie
vraie
Haricots
78
Cacahuètes
94
Maïs entier
87
Pois
88
Graine de coton
90
Riz
75
Œuf
97
Soja
86
Poisson
94
Isolat protéique de soja
95
Lait, fromage
95
Farine de graines de tournesol
90
Millet
79
Farine de blé
96
Flocons d'avoine
86
Blé entier
86
Avoine
72
La digestibilité des protéines varie en fonction :
• des effets de la conformation des protéines
• de l'interaction avec des ions métalliques, les lipides, des acides nucléiques et la
cellulose
• des facteurs antinutritionnels
• de la taille et des propriétés de surface des agrégats protéiques
• du traitement thermique
• des différences biologiques entre individus
En résumé, pour calculer l'indice Disco, il faut :
1. déterminer la quantité d'azote
2. calculer la quantité de protéines (N x 6,25)
3. Déterminer la quantité d'acides aminés essentiels après hydrolyse et analyse
4. calculer l'indice chimique
5. évaluer la digestibilité
6. calculer l'indice DISCO ou PDCAAS

CHIM9239-2 - Ch2. Les protéines v3.docx

Ch.2 - 5

Voici quelques indice chimiques corrigés :
Tableau 2.5. Indice chimique corrigé par la
digestibilité de la protéine
(DISCO ou "PDCAAS")
Protéine
Indice en %
Protéine de soja
100
Caséine
100
Blanc d'œuf
100
Protéines du lait
100
Thon
100
Bœuf
92
Fruits
76
Farine de pois
69
Haricots rouges en boîte
68
Blé complet
40
Rem.: les valeurs supérieures à 100 % sont tronquées et remises à 100 %.
2.4. Les forces qui stabilisent la structure protéique.
La conformation d'une protéine native dépend de plusieurs termes énergétiques. L'énergie
peut être décomposée en énergie liée et énergie non liée.
La longueur des liaisons, les angles de liaison, la planarité de la liaison peptidique, la torsion
des liaisons interviennent dans l'énergie liée.
L'énergie non liée comprend les forces de van der Waals, les forces électrostatiques et les
liaisons hydrogènes.
Les protéines natives sont relativement peu stables dans les conditions physiologiques.
L'énergie est de l'ordre de -0,4 kJ/mol et par résidu, soit -40 kJ/mol pour une protéine de 100
acides aminés. Les diverses interactions non covalentes de la protéine peuvent représenter
plusieurs milliers de kJ/mol, mais il s'agit d'interactions intra- et inter-moléculaires tant
attractives que répulsives.
2.4.1. Les forces de van der Waals
Les forces de van der Waals sont des associations non covalentes entre molécules non
chargées. Ces forces à faible distance comprennent les forces dipôle permanent-dipôle
permanent, dipôle permanent-dipôle induit et dipôle induit-dipôle induit. La liaison
hydrogène qui est une interaction dipôle-dipôle est traitée à part.
Rappel : le rayon de van der Waals est la moitié de la plus courte distance à laquelle
peuvent s'approcher les noyaux de deux atomes du même élément appartenant à des
molécules différentes.
2.4.1.1.
Interactions dipôle permanent-dipôle permanent.
Elles proviennet d'interactions entre dipôles permanents, par exemple, deux molécule
d'acétone. Si les dipôles sont en rotation libre, ce sont les forces de Keesom qui sont fonction
de 1/r6. Si les dipôles sont fixes, l'interaction est fonction de 1/r3.
2.4.1.2.
Interaction dipôle permanent-dipôle induit
Ce sont des interactions entre un dipôle permanent et un dipôle induit, par exemple, l'acétone
et le -CH3 d'une autre molécule. Ces interactions appellées forces de Debye pour les dipôles
en rotation libre varient avec 1/r6.
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Ch.2 - 6

Les forces de Keesom et de Debye augmentent avec le moment dipolaire du dipôle
permanent.
2.4.1.3.
Interactions dipôle induit-dipôle induit (= forces de London ou
forces de dispersion).
A basse température, H2 devient liquide puis solide dans certaines conditions de pression. Il
existe donc une force de cohésion entre ces molécules non polaires, ce sont les forces de
London.
En moyenne, dans le temps, H2 ne possède pas de moment dipolaire, cependant, à un temps t
donné, la distribution spatiale des charges fait qu'il existe un dipôle résultant différent de zéro.
A ce moment, si deux molécules de H2 sont proches, celle possédant un moment instantané va
induire un moment à l'autre. Le "couplage" des mouvements de leurs électrons abaisse
l'énergie du système et favorise la formation d'un état condensé.
Les forces de London sont dues au mouvement des électrons et elles augmentent en fonction
du nombre d'électrons (augmentation He, Ne, Ar). Les forces de London varient en fonction
de 1/r6.
Les forces de London constituent le seul type d'interaction entre molécule apolaires. Dans le
cas des molécule polaires, elles se superposent à celles de Keesom et de Debye.
Mis à part les petites molécules fortement polaires (H2O, HCN), les forces de dispersion
(London) sont dominantes.
Les forces de London, sont faibles et seulement significatives pour des groupes en contact
(1/r6) mais elles sont nombreuses et elle participent de ce fait à la stabilité de la forme native
des protéines.
2.4.2. La liaison hydrogène (10 à 40 kJ/mol)
La liaison hydrogène est une attraction dipôle-dipôle forte. L'atome d'hydrogène,
extrêmement petit, concentre une charge δ+ qui exerce une forte attraction sur les atomes
électronégatifs comme O, N et F.
δ+

2δ¯

δ+

O

δ+

H

H

2δ¯

O

H

δ+

H

Figure 2.1. Liaison hydrogène entre deux molécules d'eau.
On trouve dans les protéines de nombreux groupements C=O, OH, NH. Pour chacun de ces
groupements, l’hydrogène est lié à un atome très électronégatif. On pourra avoir des liens :
Hydroxyle-Hydroxyle

─ O−H

…….

O─

Distance donneur-accepteur en nm
0,28

/

H
Hydroxyle- Carbonyle

C=O…….H−O ─

0,28

Hydroxyle-Amide

─ O−H…….H−N

0,30

Carbonyle-Amide

C=O…….H−N

0,29

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Ch.2 - 7

Amide-Azote imidazolique

Im-N…….H−N

0,31

Amide-Soufre

S…….H−N

0,37

Les liaisons H sont les liens parmi les plus nombreux dans la stabilisation d’une protéine
globulaire. Beaucoup de liens hydrogène dans les protéines font partie d'un réseau dans lequel
chaque donneur H est lié à deux accepteurs (double liaison H) et chaque accepteur est lié à
deux H. La liaison H a peu d'influence dans l'enroulement de la protéine ("folding"). Comme
les interactions de la liaisons H sont largement électrostatiques, elles sont plus forte dans
l'intérieur hydrophobe des protéines plutôt qu'à l'extérieur.
2.4.3. Interactions électrostatiques
Les protéines sont des polyélectrolytes à cause de certains groupes ionisables dans les chaînes
latérales (Arg, Asp, Cys, Glu, His, Lys, Tyr). Ces groupes peuvent représenter 30 à 50% du
nombre total des résidus d’acides aminés dans une protéine.
Dans un milieu aqueux, (voir les pK des résidus dans le tableau 1.1.), à pH 3,96 par exemple,
la moitié des résidus d’acide aspartique est sous forme COO- et l’autre sous forme COOH.
Environ 75% des acides glutamiques sont sous forme COOH et 25% seulement sous forme
ionisée. Toutes les histidines seront chargées positivement.
A pH 6 :

50% des histidines sont +
50% des histidines sont neutres
100% des acides aspartiques sont –
95% des acides glutamiques sont –
5% des acides glutamiques sont neutres
100% des cystéines sont neutres
100% des arginines et des lysines sont +

On pourra donc trouver des stabilisations directement entre chaînes latérales ou par
l'intermédiaire d'ions :
├" +…….- "┤
├" -….…Ca2+……...- "┤
├" +……SO42-……+ "┤
├" +…....HPO42-…..+ "┤
L'interaction entre deux charges opposées d'une protéine donne une paire ionique ou pont
salin.
L'énergie de la liaison ionique est donnée par :
! =!


k est une constante
q1 = charge 1
q2 = charge 2
D = constante diélectrique du milieu

!!!1!!2
!!!

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Ch.2 - 8

r = distance séparant les deux charges
Dans l'eau (D=80), l'énergie est plus faible. A l'intérieur des protéines (D=3 à 5), l'énergie est
plus élevée (pour rappel, D=1 pour le vide).
De plus, en solution, la protéine s'associe avec des ions mobiles comme Na+ et Cl-, ce qui
module le potentiel électrostatique de la protéine.
D'un autre côté, les ions extérieurs sont hautement solvatés et l'énergie libre de solvatation
équivaut à peu près l'énergie libre de formation d'une paire ionique non solvatée.
Par conséquent, les liaisons ioniques interviennent peu dans la stabilité de la structure native
des protéines.
Les interactions impliquent des énergies de l’ordre de -40 à -80kJ/mol.
2.4.4. Les interactions hydrophobes
L'effet hydrophobe est le nom donné aux influences qui conduisent les composés non polaires
à minimiser leurs contacts avec l'eau, et les molécules amphipatiques, tels les savons et les
détergents, à former des micelles en solution aqueuse. L'effet hydrophobe vient de la haute
constante diélectrique de l'eau. En présence d'autres solvants polaires à constante diélectrique
plus faible [diméthyl sulfoxide (DMSO), D=38 et N,N-diméthyl formamide (DMF), D=46,7]
les protéines se dénaturent.
Le changement d'énergie libre de Gibbs (ΔG=ΔH-TΔS) pour le transfert d'un hydrocarbure
d'une solution aqueuse vers un solvent apolaire est négatif dans tous les cas, ce qui indique
que de tels transferts sont des processus spontanés. Ces transferts sont proches du transfert
d'une chaîne latérale non polaire de l'extérieur vers l'intérieur pour une protéine en milieu
aqueux.
L'hydrophobicité des acides aminés est due à la structure apolaire de leur chaîne latérale. Ces
résidus n'ont pas d'interaction avec des molécules polaires telles que l'eau. Elles ont donc
tendance à s'associer à des régions hydrophobes à l'intérieur des protéines.
Cela est d'autant plus vrai que les interactions eau-eau sont plus fortes que celles de l'eau avec
des groupes non-polaires. Aussi, l'eau s'organise autour des groupes non-polaires en une cage
de molécules d'eau, bien liées l'une à l'autre par des liaisons hydrogène et peu attirées par les
groupes apolaires du centre de la cage. Quand une chaîne polypeptidique se reploie en pelotte
de façon que ses chaînes se retirent d'un contact avec le solvant pour s'agglomérer entre elles
au centre de la protéine, les structures en cage se désagrègent et leurs molécules d'eau
regagnent la masse du solvant. Cette permutation fait perdre des interactions enthalpiques
favorables entre molécules d'eau liées en laisons hydrogène dans la cage, mais la disruption
des cages d'eau qui entouraient les chaînes latérales hydrophobes induit un plus grand
désordre. Cette élévation de l'entropie contrebalance la variation défavorable d'enthalpie, et
l'étape d'enfouissement des chaînes latérales hydrophobes à l'intérieur de la protéine se
déroule ainsi spontanément. C'est l'effet hydrophobe. L'augmentation d'entropie du solvant
lors du rassemblement des chaînes non-polaires à l'intérieur de la protéine fournit une part
significative de la force entraînant le pelotonnement de la chaîne peptidique.
Les forces hydrophobes réprésentent une influence majeure pour l'enroulement des protéines
en leur conformation native.
2.4.5. Les ponts disulfures
Le pont disulfure est une liaison covalente donc forte (environ 350kJ par mole). Elle se forme
par oxydation de deux résidus cystéyl.
"SH + ½ O2 + HS"

────→

" S" S" + H2O

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Ch.2 - 9

Cette liaison relie à l'intérieur même de la protéine des cystéines en limitant dès lors la
mobilité spatiale de l'ensemble. Une protéine contenant par exemple 5 à 7 ponts disulfures par
100 acides aminés présente une structure très stable. Une telle molécule pourra difficilement
se déplier, se dérouler et donc se déstabiliser. Il faut noter toutefois qu'un pont disulfure peut
être réduit par différentes substances chimiques comme les thiols. Il s'agit dans ce cas de
techniques analytiques. Les réducteurs alimentaires comme la vitamine C ou les sucres n'ont
pas d'effet.
Le cytoplasme a un caractère relativement réducteur ce qui diminue fortement la stabilité des
ponts disulfures. Cependant, presque toutes les protéines avec des ponts disulfures sont
sécrétées vers des destinations extracellulaires à caractère plus oxydant où les ponts disulfures
stabilisent efficacement la protéine. Avant leur excrétion, les ponts disulfures sont créés dans
le réticulum endoplasmique qui possède un environnement plus oxydant.

Figure 2.2. Portée et énergie des forces stabilisant les protéines.
2.5.

Structure primaire

La suite des acides aminés d'une protéine ou d'un polypeptide s'appelle STRUCTURE
PRIMAIRE de cette protéine ou de ce polypeptide.
On connaît la structure primaire de nombreuses protéines. La figure 2.3. donne celle d'une
caséine bovine (αS2).
10
20
30
40
50
60
KNTMEHVSSS EESIISQETY KQEKNMAINP SKENLCSTFC KEVVRNANEE EYSIGSSSEE

70
80
90
100
110
120
SAEVATEEVK ITVDDKHYQK ALNEINQFYQ KFPQYLQYLY QGPIVLNPWD QVKRNAVPIT
130
140
150
160
170
180
PTLNREQLST SEENSKKTVD MESTEVFTKK TKLTEEEKNR LNFLKKISQR YQKFALPQYL
190
200
207
KTVYQHQKAM KPWIQPKTKV IPYVRYL

Figure 2.3. Exemple d'une structure primaire de 207 acides aminés PM de 24.348.
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Ch.2 - 10

2.6.

Structure secondaire

La structure primaire d'une protéine est fixée par la séquence des acides aminés et la position
des éventuelles liaisons polypeptidiques qui se répètent régulièrement. Nous décrirons en
détail deux types de structures secondaires à motifs régulièrement répétés le long de la chaîne
polypeptidique: l'hélice α et le feuillet plissé β.
2.6.1. Les angles Φ ("phi"), ψ ("psi") et χ ("chi").

Figure 2.4. Structure protéique avec ses angles de rotation.
Alors que le caractère partiellement double de la liaison peptidique exclut toute liberté de
rotation autour de cette liaison, cette liberté n'est pas limitée autour des liaisons simples C-C
et N-Cα adjacentes à la liaison peptidique, ni d'ailleurs autour de la plupart des liaisons au
sein des chaînes latérales. La position de ces groupes mobiles au niveau d'un résidu donné
définit la conformation de la chaîne polypeptidique. Un grand nombre d'interactions non
covalentes sont en jeu et on doit tenir compte simultanément des rotations autour d'au moins
deux liaisons.
α

Figure 2.5. Angles déterminant la conformation d'un polypeptide.
Analysons la conformation au niveau d'un seul résidu de chaîne polypeptidique. Le carbone α
est le pivot où s'articule deux plans amides adjacents et chacun d'eux possède un degré de
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Ch.2 - 11

liberté de rotation autour de sa liaison au carbone α. L'angle de rotation autour de la liaison
reliant C et N-H est l'angle φ, celui qui est axé sur la liaison entre Cα et C = 0 est l'angle ψ.
α

Tableau 2.6. Angles φ, ψ et ω des conformations régulières de polypeptides.
L'angle ω étant généralement de 180°, les seuls angles qui vont déterminer la structure
secondaire sont les angles φ et ψ. Dans la figure 2.5., φ, ψ, et ω valent 180°.
L'hélice α et les feuillets plissés β, deux structures secondaires que nous verrons plus loin,
sont des conformations particulièrement stables. Dans l'hélice α idéale, en l'absence
d'interactions entre chaînes latérales, les valeurs de φ et ψ sont respectivement –57° et –47°.
Dans l'hélice 310, relativement rare, les valeurs de ϕ et ψ sont respectivement –49° et -26°.
Les valeurs dans le feuillet plissé β sont –119° pour ϕ et +113° pour ψ dans les chaînes
parallèles et -139° pour φ et +135° pour ψ dans les chaînes antiparallèles.
Dans les conformations autres que l'hélice α et le feuillet plissé β, le nombre de combinaisons
de φ et ψ n'est pas infini, car certaines combinaisons déstabilisent la conformation. Si par
exemple ϕ=0° et ψ=180°, les rayons de van der Waals des atomes d'oxygène s'interpénètrent
et la conformation en devient instable (Figure 2.6.).



O

O
ω = 180°



ω = 180°

N
H

N

C

C

H

Ψ = 180°

H


φ = 0°

C

H

H

H
Figure 2.6. Encombrement stérique.
On peut illustrer ce principe par la rotation autour des liaisons C-C dans l'éthane (Figure 2.7.).
Beaucoup de conformations sont possibles, mais certaines sont plus stables que d'autres
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Ch.2 - 12

puisqu'elles sont énergétiquement plus favorables. La conformation décalée est ainsi
prédominante car les atomes d'hydrogène sont placés le plus loin possible l'un de l'autre, une
conformation de moindre énergie est la plus stable. La conformation dans laquelle les atomes
d'hydrogène se font directement face, ou conformation éclipsée possède l'énergie maximale
car elle place les atomes d'hydrogène dans le plus proche voisinage. C'est la position la moins
stable. Les conformations intermédiaires ont une énergie et donc une stabilité situées entre les
deux extrêmes.

Figure 2.7. Conformation de l'éthane.
La seule limite imposée aux conformations protéiques n'est pas l'effet de répulsions de van der
Waals entre paires d'électrons des atomes d'oxygène des carbonyles voisins. Certaines
conformations sont prohibées parce qu'elles engendrent une sévère répulsion de van der
Waals entre chaînes latérales des résidus d'acides aminés. Par conséquent, parmi la diversité
infinie des conformations imaginables pour une résidu donné, il n'y en a que quelques-unes
qui sont stables.
Les plans d'énergie conformationnelles suivant ont été calculés pour la glycine amidée et
acétylée et pour l'alanine amidée et acétylée. Ils représentent les courbes isoénergétiques des
différentes conformations en fonction des angles φ et ψ.
Pour la Gly, deux zones ont une énergie minimale ce qui correspond à une meilleure stabilité.
La zone centrale est interdite. Pour l'Ala, le graphique n'est plus symétrique. Les deux zones
les plus probables correspondent aux valeurs φ et ψ des hélices α (φ= -57 et ψ= -47) et des
feuillets β parallèles (φ= -119 et ψ= +113) et antiparallèles (φ= -139 et ψ= +135). La partie
droite du graphique devient principalement interdite du fait de l'encombrement stérique plus
important de la chaîne latérale de l'Ala.

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Ch.2 - 13

ψ
180

0

-180
-180

0

180

φ

Figure 2.8. Plan de l’énergie conformationnelle de la glycine en fonction des angles ϕ et ψ
ψ
180

0

-180
-180

0

180

φ

Figure 2.9. Plan de l’énergie conformationnelle de l’alanine en fonction des angles ϕ et ψ
Si on reporte sur un graphique les couples d'angles φ et ψ des acides aminés de 13 protéines,
on obtient la figure 2.10.. Elle correspond assez bien au plan énergétique de l'alanine amidée
et acétylée.

Figure 2.10. Graphique de Ramachandran de 2500 résidus de 13 protéines

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Ch.2 - 14

L'idée du biochimiste indien G.N. Ramachandran a fait son chemin: elle propose que la
conformation d'une chaîne polypeptidique peut être complètement définie quand on
représente chaque résidu d'acide aminé de la chaîne par ses valeurs ϕ et ψ sur un diagramme
bidimensionnel (Figure 2.11.). Ce graphique de Ramachandran spécifie les conformations
habituellement observées dans une chaîne polypeptidique (zones limitées par les traits pleins),
les valeurs limites pour le résidu alanine ou régions autorisées (zones limitées par les traits
pointillés) et les valeurs de φ et ψ interdites pour des raisons stériques (le reste). Les valeurs
de φ et ψ pour tous les résidus d'une protéine tombent le plus souvent dans les zones définies.
Néanmoins, les paramètres de certains acides aminés tombent en dehors des zones autorisées.
On l'explique en admettant que la structure globale d'une protéine résulte d'un compromis par
lequel une interaction défavorable est tolérée en un endroit pour en permettre une favorable
ailleurs. La plupart des résidus dont les paramètres tombent en dehors de ces zones s'avèrent
être des résidus glycine: vu la petite taille de sa chaîne latérale, la glycine peut s'accommoder
à une marge plus étendue des valeurs φ ψ sans provoquer un encombrement stérique majeur.
Conformations régulières de polypeptides sur un
graphique de Ramachandran.

+ 180°
P
P
P
P
P

αL

ψ 0°
3
αR
π

- 180°
- 180°


ϕ

+ 180°

Figure 2.11. Graphique de Ramachandran.
2.6.2. Hélice α
Dans l'hélice α droite, les angles ont pour valeur : ϕ = - 57 ° et ψ = - 47 °.
L'hélice α peut être droite ou gauche. Une hélice α gauche composée d'acides aminés L est
moins stable qu'une hélice α droite composée des mêmes acides aminés L, à cause
d'interférences stériques entre les groupes C=O et les chaînes latérales. Seule l'hélice α droite
est présente dans les structures protéiques.
Une hélice droite (ou avec pas à droite, comme un tire-bouchon pour droitiers ou comme le
pas d'une vis ordinaire) est une hélice enroulée en tournant dans le sens des aiguilles d'une
montre (rotation) quand on avance sur l'axe de l'hélice (translation) en s'éloignant de
l'observateur.
Dans l'hélice, on retourne à des positions équivalentes de l'enroulement (rotation de 360°)
avec une translation de 0,54nm, qui est le pas de cette hélice (p = n . d). Chaque résidu d'acide
aminé supplémentaire allonge l'hélice de 0,15nm (d). Un tour d'hélice comporte 3,6 résidus
(n).

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Ch.2 - 15

Dans un squelette polypeptidique enroulé en hélice α, chaque oxygène des groupes
carbonyles est en liaison hydrogène avec l'hydrogène de l'amide appartenant au quatrième
résidu situé en aval du côté C-terminal. Ces liaisons hydrogène sont presque parallèles à l'axe
longitudinal de l'hélice et les N, H et O de la liaison hydrogène sont presque colinéaires.
L'hélice α est représentée dans la figure 2.12..

Figure 2.12. Hélice α droite.
Voet, D., & Voet, J. (2011)
Dans l'hélice α, on observe une prédominance de certains acides aminés. Ainsi, des résidus de
petit volume ou non chargés comme l'alanine la leucine et la phénylalanine sont fréquents
dans les hélices α. La proline en est souvent absente car son noyau pyrrolidone pentagonal ne
peut pas se plier aux exigences de la conformation de l'hélice α.
Par rapport au feuillet β, l'hélice α est une structure compacte. Les chaînes latérales des acides
aminés qui la composent sont disposées à l'extérieur de l'hélice. Les hélices peuvent être
hydrophiles (chaînes latérales hydrophiles), hydrophobes (chaînes latérales hydrophobes) ou
amphiphiles (chaînes latérales en partie hydrophiles et en partie hydrophobe. Différents
agencements de l'hydrophobicité p.r. à l'hydrophilie peuvent exister, notamment des
agencements avec gradient d'hydrophobicité.
La structure en hélice α est bien stabilisée par les nombreux liens hydrogènes entre les C=O et
les N-H.
On a beaucoup cherché à prédire à partir de la seule structure primaire, l'existence d'hélices α
ou d'autres conformations répétitives régulières mais avec un succès mitigé. Il est très malaisé
de jauger le poids d'interactions entre résidus fort éloignés au sein de la chaîne et ces
interactions pèsent souvent d'un grand poids pour imposer une conformation à la chaîne
polypeptidique.
La conformation d'une protéine dépend de sa structure primaire mais le pH peut également
intervenir. Dans l'exemple suivant, la structure de deux polypeptides synthétiques, un acide
polyglutamique et une polylysine, est observée en fonction du pH. Pour ces deux

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Ch.2 - 16

polypeptides, la structure hélicoïdale est détruite lorsque les chaînes latérales se repoussent,
c'est-à-dire à pH acide pour la polylysine et à pH alcalin pour l'acide polyglutamique.
Effet du pH sur la rotation optique
(sur l’enroulement) de l’acide
poly-L-glutamique et de la poly-L-lysine

0

Hélice alpha
AC. poly-L-glutamique

-20

Hélice alpha

Rotation optique

-40

-60

Enroulement
Au hasard

-80

-100

-120

Enroulement
Au hasard

-140
-4,0

1,0

6,0

pH

11,0

16,0

Figure 2.13. Effet du pH sur la conformation de deux polypeptides synthétiques.
Un groupe de protéines fibreuses composées presque entièrement d'hélice α est le groupe de
protéines désignées globalement α-kératines. Chez les Vertébrés, ces protéines représentent
l'élément principal des phanères : cheveux, peau, fourrure, becs et ongles. La structure de base
des α-kératines est une structure à quatre-chaînes, la protofibrille. Cette protofibrille
comprend deux hélices bicaténaires torsadées l'une autour de l'autre en superhélice gauche.
Chacune des hélices qui participe à cette superstructure est faite de la torsade, en pas gauche,
de deux chaînes α-hélicoïdales de pas droit, mais avec quelques zones non hélicoïdales.
La superhélice est stabilisée par des interactions de van der Walls au sein des chaînes latérales
non-polaires bien empilées ainsi que des ponts disulfures intercaténaires.

Figure 2.14. Protofibrille d'α-kératine.
Rawn J. (1990)
Ces protofibrilles sont accolées en une structure d'ordre plus élevé, la microfibrille, composée
de huit protofibrilles. Ces huit protofibrilles forment une cavité circulaire ou une cavité carrée.

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Ch.2 - 17

Les microfibrilles sont réticulées par des ponts disulfure: leur nombre détermine le dégré de
rigidité de la fibre. Les kératines pauvres en ponts disulfure, comme celles de la laine, sont
douces, flexibles et facilement extensibles: une fibre de laine peut être étirée à presque deux
fois sa longueur initiale. Les kératines riches en ponts disulfure, comme celles contenues dans
les becs et les griffes, par exemple, sont dures, rigides, non élastiques et très peu extensibles.
2.6.3. Hélice 310 :
L'hélice 310 possède les angles suivant : ϕ = - 49 ° et ψ = - 26 °.
Le pas est de 3 résidus par tour et le cycle formé par une liaison H est de 10 atomes d'où son
nom d'hélice 310.
2.6.4. Les feuillets plissés β
Dans les protéines connues :
31 % des résidus se trouvent dans des hélices α
25 % des résidus se trouvent dans des structures β
Le feuillet β possède les angles suivant :
Feuillet β parallèle ϕ = - 119 ° et ψ = + 113 °
Feuillet β antiparallèle ϕ = - 139 ° et ψ = + 135 °
La structure β est très étendue et les chaînes latérales se situent de part et d'autre de la chaîne
principale. Cette structure forme un plan avec de part et d’autre et alternativement les C=O et
les NH. La structure est plissée.
Le pas est de 2 résidus par tour et la translation est de 3,4 ou 3,2 Å par tour.
Au lieu d'être enroulées, les chaînes polypeptidiques de certaines espèces de protéines sont
presque entièrement étirées. Les oxygènes de leurs groupes carbonyles et les hydrogènes de
leurs groupes amide se dressent presque perpendiculairement au grand axe de la chaîne
polypeptidique étirée. Une conformation désignée feuillet plissé β résulte de la formation de
liaisons hydrogène entre les oxygènes carbonyle et les hydrogènes amide de deux ou plusieurs
chaînes étirées adjacentes. Cette structure n'est pas rigoureusement plane, mais plutôt
légèrement plissée à cause des angles de liaisons adoptés par la chaîne polypeptidique. Dans
un feuillet plissé β, les chaînes adjacentes sont parallèles ou antiparallèles, selon que la suite
amino ! carbonyle des liaisons peptidiques de chaînes adjacentes court, respectivement dans
le même sens ou en sens inverse (Figures 2.16. et 2.17.). Dans les deux types de feuillets
plissés β, parallèle ou antiparallèle, les chaînes latérales des résidus d'acides aminés sont
dirigées alternativement au-dessus et en-dessous du plan du feuillet, de sorte qu'on retrouve
les chaînes latérales de résidus adjacents sur les faces opposées du feuillet.

Figure 2.16. Feuillet β parallèle.
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8
Figure 2.17. Feuillet β antiparallèle.
Les feuillets β sont particulièrement exploités dans la fibroïne de la soie, une protéine sécrétée
par la larve de Bombyx mori. La structure secondaire de la fibroïne de la soie trouve ses
origines dans des chaînes polypeptidiques (MM 350.000-415.000) arrangées en feuillets
plissés β antiparallèles. La structure primaire de la fibroïne de la soie est une succession du
motif (Ser-Gly-Ala-Gly)n.

Figure 2.18. Fibroïne de la soie
Cette séquence alternée montre que toute chaîne latérale de la glycine, soit un seul atome
d'hydrogène, regarde une face du feuillet et que les groupes méthyle de l'alanine et
hydroxyméthyle de la sérine couvrent tous l'autre face du feuillet. Cet arrangement permet un
empilement des feuillets au sein duquel les chaînes latérales d'alanine et de sérine de chaque
feuillet se glissent dans des recoins de taille propre à les accommoder.
La fibroïne de la soie est flexible parce que l'empilement des feuillets est maintenu par les
seules interactions de van der Waals entre chaînes latérales d'acides aminés de feuillets
voisins. La cohésion des fibres provient de l'abondance des liaisons hydrogène entre chaînes
adjacentes et de l'effet cumulatif des interactions de van der Waals entre chaînes empilées. La
fibroïne de la soie est à peu près inextensible, car ses chaînes polypeptidiques sont déjà
presque entièrement étirées.

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