A. Activités préparatoires possibles On estime qu'il existe environ trente mille protéines différentes chez l'Homme, dont 2% seulement ont été décrites. Chez l'Homme, comme chez tous les êtres vivants, les protéines sont constituées d'une vingtaine d'acides α-aminés différents. Ces acides α-aminés sont liés par des liaisons peptidiques sous forme de longs filaments (chaînes polypeptidiques) 1. Les protéines jouent d’importants rôles dans l’organisme humain. Citer quelques-uns de ces rôles. 2. Les peptides et les protéines sont tous formés à partir d'acides α-aminés, ce sont des polypeptides. A quoi tient leur différence ? 3. Rechercher la définition et la formule générale d’un acide α-aminé. B. Les prérequis Avant d’aborder ce chapitre, l’élève doit etre capable de : - Utiliser les règles de l’UICPA - Reconnaitre les groupements —COOH et —NH2 - Utiliser les reactions chimiques étudiées dans les chapitres C1, C2 et C3 C. Les objectifs spécifiques A la fin de ce chapitre, l’élève doit être capable de : Donner la formule semi - développée d'un acide α-aminé. Nommer un acide α aminé Donner la représentation de Fischer d’un acide α aminé Distinguer configuration et conformation. Citer les espèces majoritaires entre (amphion, acide conjugué, base conjuguée) selon le pH du milieu. Ecrire les demi-équations protoniques des deux couples acide-base. Connaître comment bloquer, comment activer un groupement carboxylique. Ecrire l'équation de la réaction entre deux acides α-aminés. Expliquer la formation d'une liaison peptidique. D. Le plan de la leçon 1. Présentation 1.1. Définition 1.2. Principaux acides α-aminés 1.3. Nomenclature 2. Eléments de Stéréochimie 2.1. Carbone asymétrique 2.2. Chiralité 2.3. Configuration 2.4. Enantiomères 2.5. Représentation spatiale 2.6. Représentation de Fischer 3. Quelques propriétés 3.1. Activité optique, Pouvoir rotatoire 3.2. Configuration D ou L 3.3. Amphion ou Zwittérion 3.4. Acide et base conjuguée 3.5. Domaines de prédominance 4. Propriétés physiques Page 1 sur 8 4.1. Conductivité électrique 4.2. Solubilité 4.3. Volatilité 5. Liaison peptidique 5.1. Définition 5.2. Synthèse sélective 5.3. Protéine E. Plan “habillé” 1. Présentation 1.1. Définition Un acide α-aminé ou α-aminoacide est un composé organique qui possède deux groupes fonctionnels, l’un acide (-COOH), l’autre amine (-NH2), fixés sur un même atome de carbone qu'on appelle carbone α. Sa formule générale s’écrit : Dans cette formule, R n’est pas toujours un groupement alkyle mais peut contenir un noyau aromatique, un atome de soufre ou des groupements fonctionnels tels que : alcool, amine, acide carboxylique Autres exemples : 1.2. Les principaux acides α-aminés Leur rôle biochimique est considérable. Les vingt acides aminés naturels les plus courants constituent les éléments de construction des protéines et ce sont tous des acides α-aminés. Les acides naturels sont tous porteurs du groupe amino en α du groupe carboxyle. Parmi ces 20 acides α-aminé 8 sont appelés acides α-aminés essentiels car ils ne sont pas synthétisés par le corps humain et ils doivent être apportés par les aliments sous forme de protéines. Exemples 1.3. Nomenclature Selon les normes de l'union internationale de chimie pure et appliquée, le nom d'un acide α-aminé dérive formellement du nom de l'acide carboxylique en désignant le groupe -NH2 par le préfixe «amino» précédé d'un indice qui indique sa position sur la chaîne carbonée la plus longue numérotée à partir de -COOH. Le préfixe « amino » est éventuellement suivi du (ou des) nom(s) du (ou des) radical (aux) alkyle (s) en ramification. Page 2 sur 8 Exemples acide 2—amino éthanoïque ou acide α—amino—éthanoïque (glycine) acide 2—amino propanoïque ou acide α—amino—propanoïque (alanine) acide 2—amino—3—méthyl butanoique ou acide α—amino—3—méthyl butanoique (valine) acide 2-amino-4-méthyl pentoique ou acide α amino-4-méthyl pentanoique (leucine) Le tableau suivant donne le nom d'usage, la formule semi-développée ainsi que le code des acides α-aminés aliphatiques : 2. Eléments de stéréochimie 2.1. Carbone asymétrique C’est un carbone tétragonal lié à quatre atomes ou groupements tous différents. On le repère habituellement par un astérisque (*) C*. 2.2. Chiralité Une molécule chirale est une molécule qui n’est pas superposable à son image dans un miroir plan. Une molécule, ou un objet, qui possède un centre ou un plan de symétrie n’est pas chiral. Remarque : Sauf la glycine, toutes les molécules d'acides α-aminés possèdent un atome de carbone asymétrique. Ce sont des molécules chirales. 2.3. Enantiomères Page 3 sur 8 Deux énantiomères ont même formule semi développée mais des configurations spatiales différentes. Ils ont les mêmes propriétés physiques et chimiques excepté celles qui font intervenir la chiralité comme l'activité optique ou les réactions enzymatiques. L'énantiomère dont le groupe -NH2 se projette à gauche dans la représentation de Fischer est nommé L, on dit aussi que l'acide α-aminé a la configuration L. Lorsque le groupe -NH2 se projette à droite dans la représentation de Fischer, l'énantiomère est nommé D ou qu'il a la configuration D. 2.4. Représentation spatiale La représentation de Cram permet une schématisation rapide des carbones tétraédriques en utilisant les conventions suivantes : liaison dans le plan de la figure liaison vers l’avant liaison vers l’arrière représentation de Cram d’un carbone tétraédrique O H2 N CH2 C OH Glycine représentation de Cram de la glycine Représentation de Fischer et configuration D ou L 2.5. Conventions à connaître : La molécule est représentée en forme de croix avec le carbone porteur des fonctions amines et acides au milieu Le groupe COOH en haut, le groupe R en bas Les traits verticaux représentent des liaisons vers l’arrière, les traits horizontaux représentent des liaisons vers l’avant. Il existe deux types de configuration D ou L : Quand le groupe amine est à droite c’est la configuration D ; Quand le groupe amine est à gauche c’est la configuration L. Exemple : la figure suivante donne les molécules de la L - alanine et la D - alanine selon la représentation de Fischer. CO2H H CO2H H 2N NH2 H R R Configuration D Configuration L Remarques • Les acides α—aminés courants, présents dans les systèmes vivants, ont tous la configuration L. • On fait précéder le nom de l'acide α—aminé par la lettre L ou la lettre D selon qu'il a la configuration L ou D. Une molécule comportant plusieurs atomes de carbone asymétriques peut être achirale. Un mélange racémique est constitué de quantité égale de molécules de deux énantiomères. Activité optique : c’est l’aptitude d’une molécule à dévier la lumière. 3. Quelques propriétés 3.1. Amphion ou Zwittérion Le groupe fonctionnel carboxylique (─ COOH) présente un caractère acide. Le groupe fonctionnel amino (─ NH2) présente un caractère basique. En solution aqueuse neutre, ces deux fonctions réagissent pour donner un "sel interne", le zwitterion ou amphion : En solution aqueuse, l'acide α—aminé est sous forme de zwitterion à plus de 99 %. Le pH d'une solution d'acide α— aminé pur est de l'ordre de 7. Page 4 sur 8 Dans la suite du cours le Zwittérion sera noté Z pour nous affranchir de la lourdeur d’écriture. 3.2. acide et base conjuguée En milieu très acide, l'acide α aminé se comporte comme un acide en donnant un "double acide" : En milieu très basique, l'acide α aminé se comporte comme une base en donnant une "double base" : 3.3. Domaines de prédominance A chaque couple correspond un pKA : Soit le couple double acide/zwitterion de pKA1 Et le couple zwitterion/double base de pKA2 On peut définir un domaine de prédominance des différentes espèces : 𝐾𝑎1 [𝑍][𝐻3 𝑂+ ] [𝑍 − ][𝐻3 𝑂+ ] = ; 𝐾𝑎1 = 𝑒𝑛 𝑓𝑎𝑖𝑠𝑎𝑛𝑡 𝑙𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡 𝑑𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑′ 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑖𝑡é, [𝑍 + ] [𝑍] 𝑛𝑜𝑢𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑜𝑛𝑠: 𝐾𝑎1 × 𝐾𝑎1 = [𝑍][𝐻3 𝑂 + ] [𝑍 − ][𝐻3 𝑂 + ] × + [𝑍 ] [𝑍] ⇒ 𝐾𝑎1 × 𝐾𝑎1 = [𝑍 − ]×[𝐻3 𝑂 + ]2 [𝑍 + ] il existe un pHi appelé pH isoélectrique où la concentration en ion zwittérion est maximale. 1 En ce point [𝑍 − ] = [𝑍 + ] ⇒ 𝐾𝑎1 × 𝐾𝑎1 = [𝐻3 𝑂+ ]2 𝑖 ⇒ 𝑝𝐻𝑖 = 2 (𝑝𝐾𝑎1 + 𝑝𝐾𝑎2 ) 4. Propriétés physiques des acides α aminés 4.1. Conductivité électrique Le zwitterion (ou amphion) présentant les deux charges électriques ne migre pas dans un champ électrique, les acides aminés ne se prêtent donc pas à l'électrolyse. 4.2. Solubilité Du fait de leur polarisation et même leur ionisation, les acides aminés sont très solubles dans l'eau. Ils ne sont pas solubles dans les solvants moléculaires (éther, chloroforme ...). 4.3. Volatilité Les acides aminés sont peu volatiles. Les liaisons intermoléculaires qui peuvent se créer du fait de la polarisation de nombreuses liaisons assurent des liens étroits dans le liquide et même dans le solide. La plupart des acides aminés sont solides à l'état pur. 6. Liaison peptidique 6.1. Définition Les acides 𝛼 −aminés peuvent se lier les uns aux autres par une liaison peptidique. La liaison peptidique se fait entre le groupement acide (COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (NH2) de l'autre. Au cours de la réaction, une molécule d'eau est éliminée. Il s'agit donc encore une fois d'une réaction de condensation. Page 5 sur 8 L'union de plusieurs acides aminés forme un polypeptide. 6.2. Synthèse sélective Exemple : En fait, en faisant réagir deux acides aminés, on obtient un mélange de quatre dipeptides : Si on souhaite "orienter" un dipeptide, il faut préalablement bloquer une fonction amino d'un acide α—aminé par acylation et bloquer une fonction carboxylique de l'autre acide α aminé par estérification. Voici les différentes étapes : 1ère étape : blocage du groupe –COOH de l’alanine en le transformant en ester. 2ème étape : blocage du groupe –NH2 de la glycine en le transformant en amide. 3ème étape : activation du groupe –COOH de la glycine en le transformant en chlorure d’acyle 4ème étape : formation de la liaison peptidique 5ème étape : régénération des groupes bloqués Page 6 sur 8 Au cours de la réaction, une molécule d'eau est éliminée. Il s'agit donc encore une fois d'une réaction de condensation. C'est cette technique qui est utilisée au laboratoire pour reconstituer des polypeptides. 6.3. Protéines Ce sont des macromolécules formées par l’enchainement d’acides α-aminés reliés entre eux par une peptidique. Les protéines sont des molécules très variées. Notre organisme en fabriquerait quelque chose comme 100 000 différentes les unes des autres. Chacune de ces protéines a une forme tridimensionnelle et des propriétés chimiques qui lui sont propres. Les protéines remplissent de nombreux rôles dans la cellule. Parmi ces différentes fonctions on peut souligner les huit suivantes : L'importance des protéines dans la matière vivante est considérable. Les polypeptides et les protéines ont des rôles extrêmement variés et spécifiques. Ils peuvent : - constituer la charpente des tissus vivants, peau, cheveux, muscles ; - avoir une fonction catalytique : c'est le cas des enzymes. Chaque cellule vivante contient des milliers d'enzymes, chacune étant catalyseur pour une seule réaction chimique précise. - jouer un rôle régulateur : c'est le cas de certaines hormones. On peut citer par exemple l'insuline, hormone du pancréas, avec une séquence de 51 acides aminés, qui régule le taux de sucre dans le sang, ou l'oxytocine (polypeptide avec une séquence de 9 acides aminés) qui régule les contractions utérines lors de l'accouchement. - participer aux mécanismes de défenses immunologiques : c'est le cas des anticorps, par exemple les gammaglobulines du sang. - participer aux phénomènes de transport : citons l'hémoglobine et la myoglobine qui transportent le dioxygène respectivement dans le sang et dans les muscles. - participer à la transmission de l'information génétique. F. Evaluation Exercice 1 Les acides α-aminés les plus simples ont la formule semi-développée suivante, dans laquelle R est un groupe alkyle, possédant n carbones ; X et Y sont deux groupes fonctionnels : 1. Quels sont les noms de ces deux groupes fonctionnel ? 2. Ecrire la formule développée qui fait apparaître n, (nombre d'atomes de carbone du groupe alkyle) et les deux groupes fonctionnels X et Y. 3. Un acide α-aminé a une masse molaire de 117 g.mol−1. 3.1. Déterminer sa formule brute de cet acide. 3.2. Donner les formules semi-développées et les noms, en nomenclature systématique, des deux acides αaminés qui correspondent à cette formule. 4. Par condensation deux acides α-aminés peuvent réagir l'un sur l'autre. Soient deux acides α-aminés de formules brutes : C3H7O2N et C4H902N. 4.1. Ecrire les formules semi-développées des deux corps obtenus par condensation. (On n'envisagera pas l'action d'un acide aminé sur lui-même). 4.2. A quel type de corps appartiennent-ils ? Masses atomiques : MH = 1 g.mol−1; MC = 12 g.mol−1; MN = 14 g.mol−1; MO = 16 g.mol−1. Exercice On se propose d'étudier l'alanine CH3─CHNH2─COOH qui est un acide α-aminé. Cet acide peut se présenter sous trois formes en solution aqueuse : Page 7 sur 8 On donne : pKA1 = 2,35 et pKA2 = 9,87 1.1. Donner le nom général de chacune de ces trois formes. 1.2. Donner la définition du pH-isoélectrique (pHi) et déterminer sa valeur. 1.3. Définir, sous forme de diagramme, des domaines de prédominance et de coexistence de ces trois formes en fonction du pH de la solution dans laquelle se trouve l'alanine. 2. Deux de ces trois formes sont en équilibre à pH = pKA1 = 2,35. 2.1. Ecrire l'équation de l'équilibre. 2.2. Exprimer le pH en fonction de la concentration des deux formes et de pKA1. 3. Le pKA2 du deuxième couple est égal à 9,87. 3.1. Ecrire l'équation d'équilibre. 3.2. Exprimer le pH en fonction de la concentration et de pKA2. 4. On considère une solution d'alanine de concentration C = 0,1 mol.L−1. Calculer les concentrations des trois formes : 4.1. lorsque pH = 2,60 4.2. puis lorsque pH = 9,20. G. Bibliographe et wébographe - Cours chimie 7ème Année Ecole Européenne de Francfort Page 8 sur 8
