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Les acides aminés

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Grâce à cette formation vous pourrez acquérir les connaissances nécessaires qui vous permettrons d’ajouter des compétences à votre profil et obtenir de solides aptitude qui vous offriront de nombreuses opportunités professionnelles.

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Introduction du cours

Voici un schéma pour mieux vous repérer

Si vous aimez la biochimie, vous avez fait le bon choix : ce cours traite des acides aminés, les molécules fondamentales du vivant.

On a coutume de dire que c'est l'ADN le pivot de la vie. En effet, une partie de l'ADN est vouée à être transcrite en ARN messager, qui sert d'intermédiaire entre le langage nucléotidique et le langage des acides aminés lors de la traduction en protéines. Lors de la transcription, la thymine (une base azotée) est remplacée par l'uracile. Cet ARNm va donner la capacité à l'information nucléaire de s'exporter dans le cytoplasme cellulaire, lieu de la traduction. Malgré tout, tous les ARN ne sont pas voués à être traduits en protéines.

Je vous annonce quand même d'emblée la couleur : il va vous falloir un minimum de bases en chimie, mais rassurez-vous, je vous ferai des rappels sommaires au tout début de ce cours, et d'autres par la suite s'il y a besoin.

Par contre, je n'irai pas jusqu'à vous rappeler les bases du collège/lycée : on commence au niveau Bac, sinon il me faudrait réécrire un manuel de chimie de l'enseignement secondaire, ce qui n'est pas le but du tutoriel (je ne vais pas vous rappeler par exemple les symboles des éléments chimiques, vous expliquer les équation-bilans, re-détailler les couples acide/base...). Cependant, certaines notions seront nouvelles pour de récents bacheliers : je vous les expliquerai, ne vous inquiétez pas.

Ceci dit, allons-y !

IntroductionUne petite précision

Je vous ai dit à l'instant que tout l'ADN n'était pas voué à devenir des protéines. Si je dis "une partie", c'est parce que, contrairement à ce que l'on pourrait attendre, seule une fraction de l'ADN est vouée à la fabrication de protéines : la majeure partie de l'ADN est comme un énorme "bazar", qui sert principalement de régulation à cette synthèse protéique, ainsi qu'à la régulation des paramètres cellulaires. Par exemple, vous savez sans doute qu'un individu de sexe féminin est porteur de 2 chromosomes X. Malgré tout, un seul reste actif pour être transcrit : un gène (le gène Xist), s'exprimant sur un des 2 chromosomes X (l'actif), gouverne la synthèse d'un ARN particulier : l'ARN-Xist. Celui-ci est produit en quantité tellement énorme qu'il tapisse complètement l'autre chromosome X, formant ainsi le corpuscule de Barr, structure caractéristique du X inactif. Cet ARN-Xist n'est pas traduit en protéine : on dit qu'il est "non codant".

Je vous perds un peu ? Alors revenons sur nos acides aminés (car c'est quand même pour ça que vous êtes là, non ? :D ) : nous verrons l'ADN une autre fois...

Les acides aminés sont un peu comme les perles d'un collier, qui serait une protéine. Ces acides aminés sont le résultat de l'interprétation d'un codon tri-nucléotidique (ex : AUC) définie dans le code génétique. C'est une table qui indique à quels codons correspondent quels acides aminés. A propos, un codon ne code que pour un seul acide aminé, mais un acide aminé peut être codé par plusieurs codons, définissant ainsi la redondance du code génétique.

Voilà à quoi ressemble un nucléotide. Un triplet de ces molécules forme un codon. Vous voyez qu'il y a une forme "ribose" et une forme "désoxyribose".
Ceci a une grande importance, car seuls les désoxyribonucléotides peuvent entrer dans la composition de l'ADN,
tandis que seuls les ribonucléotides peuvent entrer dans la composition de l'ARN.

Note 1 : ici, je vous ai représenté le thymine monophosphate à gauche, avec la désoxythymine monophosphate à droite.
La seule chose qui change, c'est l'absence dans la dTMP d'un hydroxyle, en 2' (c'est une convention de nommage).

Note 2 : Remarquez que l'on pourrait enlever l'hydroxyle en 3' du ribose (c'est un "sucre") sur un désoxyribonucléotide. En fait, ceci est fait par manipulations chimiques, et cela permet de faire un séquençage base après base de l'ADN, car leur incorporation bloque la synthèse au point où ils sont (le mécanisme étant relativement complexe, je ne rentre pas dans les détails).
Pourquoi est-ce que je compare les acides aminés à des perles ? Eh bien c'est parce qu'en les enchaînant via des liaisons spéciales, appelées liaisons peptidiques, on va former la protéine que l'on veut : c'est un peu comme enfiler des perles sur un fil pour former un collier. Cependant, toutes les perles ne sont pas identiques : leur forme varie, et les propriétés intrinsèques des perles vont énormément influencer la forme et la fonction biologique finales de la protéine.

Une pointe d'Histoire

Les acides aminés ont été à la base de la création de la vie sur Terre, très certainement. A ce propos, il existe une théorie très intéressante les concernant, la théorie de la soupe primitive ("primitiv soap" chez les anglo-saxons) et des coacervats d'Oparin.

Autour de -4,2 milliards d'années, la Terre était soumise à un intense bombardement cosmique (astéroïdes, comètes...), ce qui a entraîné un réchauffement significatif de la température terrestre, suffisamment important pour que l'eau ne puisse pas exister autrement que sous forme gazeuse, empêchant ainsi la vie de se développer. Seulement, cette pluie de débris cosmiques a amené des éléments chimiques sur Terre, notamment les 4 atomes fondamentaux du vivant : le C (carbone), le O (oxygène), le N (azote) et le H (hydrogène). Un chimiste, Oparin, a suggéré que, dans les conditions compatibles de température et atmosphérique, sous l'action d'un rayonnement solaire intense, les gaz atmosphériques ont pu donner de petites quantités de molécules organiques (au squelette carboné). Ces molécules auraient été dissoutes par la suite dans les étendues aquatiques terrestres : les océans.

Pour commencer, un peu de chimie...Petits rappels de stéréoisomérie

Dans la nature, les molécules désignées par un même nom ne sont pas toutes strictement semblables : les substituants portés par un carbone asymétrique ne sont pas agencés toujours de la même manière. Mieux : si l'on considère une molécule à plusieurs carbones tétravalents asymétriques, l'agencement des substituants entre les 2 carbones n'est pas toujours le même. On peut donc déterminer des classements avec plusieurs méthodes, dont certaines sont équivalentes :

  • La méthode de Cram ;

  • La méthode de Fisher ;

  • La méthode de Newmann.

Voyons brièvement ces 3 méthodes. Mais tout d'abord, on va faire un petit rappel sur les carbones asymétriques :

Un carbone asymétrique, c'est un carbone qui est lié à 4 groupements chimiques différents, groupements que l'on va pouvoir classer selon la règle de Cahn, Ingold et Prelog (que nous allons voir bientôt), en 2 catégories : R et S.

Méthode de Cram

Cette méthode est une méthode qui fait appel à votre sens de l'orientation 3D. Plutôt que de s'embrouiller dans une tonne de paragraphes, regardez cet exemple d'une molécule fictive :

Commençons par une mise au point sur la nomenclature de la méthode de Cram, qui est en fait une méthode de représentation des molécules tridimensionnelles dans le plan :

  • Les traits pleins représentent les liaisons chimiques qui sont dans le plan ;

  • Le trait rayé représente la liaison qui est derrière le plan ;

  • Le trait plein et épais représente la liaison qui est en avant du plan.

Énonçons maintenant la règle de CIP (ce n'est ni plus ni moins qu'un classement des atomes élémentaires selon leur poids moléculaire) :

$I>Br>Cl>S>P>Si>F>O>N>C>H>e^-$

Le symbole $>$ veut dire "prioritaire sur".

Quand la liaison est plurielle (double, triple...), on la considère comme autant de liaisons simples. La priorité des substituants s'établit rang après rang et au sein d'un même rang.

L'ordre de préséance des substituants permet de déterminer la catégorie R/S. Pour vous montrer, voici une molécule : déterminons sa classification R/S.

Prenons le premier rang : $CH_2\ \text{vs}\ Br\ \text{vs}\ Cl\ \text{vs}\ I$
D'après la règle de CIP, l'iode prime sur le brome, qui prime sur le chlore, qui prime sur le groupement CH2. On a donc dans l'ordre : $I\ ;\ Br\ ;\ Cl\ ;\ CH_2$.

On aboutit donc à ceci :

Voyons maintenant comment savoir le caractère R/S :

Il faut tout d'abord s'arranger pour que la molécule présente le substituant de plus faible priorité (le 4) à l'arrière du plan. Vous remarquerez ici que la figure ne présente pas le 4 à l'arrière du plan, mais dans le plan : on va tourner la molécule pour mettre le 4 en arrière du plan. Cela donne :

N'échangez pas les positions des 4 substituants à la fois ! Il faut définir un axe selon lequel on va permuter les 3 autres, sinon, on crée une autre molécule. Ici, j'ai choisi un axe qui passe par un autre substituant que le 4, car je veux mettre ce substituant en arrière du plan (on aurait pu prendre l'axe du 2 ou du 3 aussi : on aurait obtenu le même résultat).

Maintenant, faites comme s'il n'y avait pas de 4, et regardez dans quel sens tourne la séquence 1;2;3". Si elle tourne vers la droite (anti-trigo), le carbone est dit R pour "Rectus". Sinon, il est S, pour "Sinister". Sur notre exemple, ça donne ça :

Notre carbone asymétrique est donc S. On le note comme ça :

Si vous avez permuté tous les substituants,
vous obtenez un carbone Rectus, alors qu'il est Sinister !

Mais pourquoi cette distinction ? Et quel rapport avec les acides aminés ?

En fait, cette classification permet d'identifier des énantiomères. Ce sont des molécules qui sont images l'une de l'autre dans un miroir. C'est très pratique pour les laboratoires pharmaceutiques, pour déterminer la forme active d'une molécule chirale (c'est une molécule que l'on peut écrire sous la forme d'un couple d'énantiomères). Les acides aminés n'échappent pas à la règle, mais je veux vous introduire l'énantiomérie avant de vous introduire un autre type de classification, qui est à ne pas confondre avec l'énantiomérie.

Méthode de Fisher

Cette méthode est très prisée par les étudiants en chimie : elle permet de s'affranchir, du moins en partie, de la 3D. Pour cette méthode, il va falloir quand même passer par la représentation de Cram. On va prendre la même molécule que tout à l'heure, pour que vous ne soyez pas perdus :

  • Imaginez un plan du côté des liaisons du plan ;

  • Écrasez la molécule sur ce plan ;

  • Votre représentation de Fisher est prête !

Voyons ce que ça donne :

Classons comme pour la méthode de Cram, les substituants selon la règle du CIP :

Là, il faut regarder la position du substituant de plus faible priorité (le 4) :

  • S'il est sur la branche horizontale, on inversera l'ordre de la séquence 1;2;3 ;

  • S'il est sur la branche verticale, on gardera l'ordre de la séquence 1;2;3.

Ici, le "4" est sur la branche verticale : on gardera l'ordre de la séquence 1;2;3. Ça donne :

On constate, ô bonheur, que le résultat par cette méthode est le même qu'avec la méthode de Cram, ce qui confirme que notre petit travail est correct.

Méthode de Newmann

Là, il va vraiment vous falloir un sens inné de la 3D (mais non, je plaisante ! :D ) : cette méthode consiste à regarder selon l'axe du substituant de plus faible priorité l'aspect de la molécule. Cette méthode ressemble beaucoup à la méthode de Cram, mais elle est surtout utile pour les molécules à au moins 2 carbones asymétriques. Pour illustrer cette méthode, prenons l'exemple de la molécule d'acide 3-amino-5-bromo-4-iodo-3,4-dimethylpentanoïque.

Voilà l'acide 3-amino-5-bromo-4-iodo-3,4-dimethylpentanoïque

On regarde la molécule selon l'axe horizontal : on va avoir la superposition de 2 carbones. le 2e, on va le représenter par un cercle, et on va mettre les substituants qui dépassent. Ça donne :

Là, comme on est en projection de Newmann, on ne va pas pouvoir étudier le caractère R ou S du ou des carbones asymétriques, mais on va pouvoir définir une nouvelle classification : érythro/thréo.
Pour ça, on va regarder avec la règle de CIP l'ordre des substituants qui dépassent du carbone, puis on regarde comment tourne la séquence 1;2;3. Si cet ordre est le même pour le carbone 1 que pour le carbone 2, on parle de molécule érythro, sinon, de molécule thréo.

Si la molécule est érythro, il faut vérifier par projection de Fisher si elle n'est pas symétrique par rapport à l'axe horizontal, dans quel cas elle ne serait non pas érythro, mais méso.

Avec notre exemple ça donne :

Les substituants des 2 carbones "tournent" dans le même sens :
la molécule est érythro, car elle ne possède pas d'axe de symétrie.

Ne me dites pas que le carbone 1 est R, et le second est R aussi : vous ne pouvez pas le savoir, et la nomenclature érythro/thréo/méso est totalement différente de la nomenclature R/S !!
Les carbones sont bien Rectus sinon, mais c'est un vrai coup de bol !

Une distinction à faire : isomères de conformation

Je vous ai parlé jusqu'ici de stéréoisomérie. Il existe 2 classes de stéréoisomérie :

  • L'isomérie configurationnelle : elle est en rapport avec les carbones Rectus et Sinister, qui définissent l'énantiomérie. C'est le fait que 2 molécules sont images l'une de l'autre dans un mirroir, mais non superposable, un peu comme vos 2 mains. Cette classe de stéréoisomérie comporte aussi la diastéréoisomérie, qui est une "énantiomérie imparfaite" : elle ne concerne que les molécules d'au moins 2 carbones asymétriques, et dont un seul des deux est l'image de son homologue dans un miroir. Voici une image qui cous illustre ces notions, avec une molécule X de 2 C* :

    Les flèches noires représentent les relations d'énantiomérie,
    les flèches rouges celles de diastéréoisomérie.

  • L'isomérie conformationnelle : elle représente les différentes manières d'écrire une même molécule, en jouant sur l'angle entre les différents substituants des molécules. Cette isomérie est en rapport direct avec l'encombrement stérique, qui est le fait que des groupements volumineux maintenus à proximité sont instables, car ils se gênent mutuellement (imaginez une bouteille de champagne sous pression quand vous la secouez pour le jour de l'an : les molécules de gaz n'ont pas de place entre le liquide et le bouchon, s'agitent, se percutent, et finalement font sauter le bouchon), et rendent la molécule instable. La nature aime ce qui est stable, avec le minimum de tension entre les éléments : ce genre de molécule va se réarranger spontanément pour redonner une forme stable.


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