STRUCTURE DES PROTIDES : ACIDES α AMINES, PEPTIDES

STRUCTURE DES PROTIDES :
ACIDES  AMINES, PEPTIDES, PROTEINES
CM Catherine Sarazin L1S2 Biochimie 2016
I. DEFINITION ET CLASSIFICATION
Au sein des protides, on distingue 3 classes de composés:

Les acides aminés: petites molécules avec au moins une fonction amine et une fonction
carboxylique ;

Les peptides: molécules formées de l'enchaînement d’au moins deux acides aminés et de
MM inférieure à 6000 ~ 8000 dalton ;

Les protéines: composés libérant par hydrolyse des acides aminés et de MM supérieure à
6000 ~ 8000 dalton .
II. LES ACIDES AMINES
A. STRUCTURE
1. Définition
Comme son nom l'indique, un acide aminé possède à la fois un groupe carboxyle (-COOH)
et un groupe amine (en général, amine primaire C-NH2, sauf pour la proline qui a une amine
secondaire).
Compte-tenu des pKa d’ionisation de la fonction carboxylique (acide) et de la fonction
amine (basique), à pH 7, le carboxyle sera sous la forme carboxylate (COO-) et la fonction
amine sera sous sa forme acide conjuguée, c’est-à-dire protonée.
Bien qu’il existe au moins 300 acides aminés dans la nature, il en existe seulement 22
entrant dans la composition des protéines (acides aminés protéinogènes), qui sont tous des
acides  aminés. Toutefois, ces 22 acides protéinogènes peuvent être présents dans les
protéines sous des formes dérivées comme par exemple par méthylation, phosphorylation,
acylation, acétylation etc. Ces dérivés proviennent de modifications post-traductionnelles,
c’est-à-dire de modifications qui affectent la structure de la protéine après sa synthèse par la
machinerie cellulaire de traduction par un ARNm.
Ces 22 acides  aminés peuvent être classés selon leurs propriétés physico-chimiques telles
que leur caractère hydrophile ou hydrophobe par exemple.
2. Les classes des acides aminés
Les structures ci-dessous ne tiennent pas compte de l'ionisation des différentes fonctions.
2-a. Chaîne latérale hydrohopbe (non polaire)
alanine (ala, A)
valine (val, V)
leucine (leu, L)
isoleucine (ile, I)
pHi = 6.02
pHi = 5.97
pHi = 5.98
pHi = 6.02
MM = 89 g.mol
-1
proline (pro, P)
MM = 117 g.mol
-1
phénylalanine
MM = 131 g.mol
-1
tryptophane (trp, W)
MM = 131 g.mol-1
méthionine (met, M)
(phe, F)
pHi = 6.3
MM = 115 g.mol

pHi = 5.48
-1
MM = 165 g.mol
pHi = 5.88
-1
MM = 204 g.mol
pHi = 5.75
-1
MM = 149 g.mol-1
Alanine (C3)
C'est l'acide aminé le plus simple qui possède un carbone asymétrique. Sa chaîne latérale
aliphatique est composée d’un méthyle (CH3). Il est présent dans toutes les protéines.

Valine (C5), leucine (C6) et isoleucine (C6)
Leur chaîne latérale aliphatique est ramifiée. Comme dans le cas de l'alanine, ces trois
acides aminés jouent un rôle important dans la formation et le maintien de la structure
tridimensionnelle des protéines car ils ont une tendance naturelle à se confiner dans les
espaces dépourvus d'eau.

Proline (C5)
C'est une structure particulière car la chaîne latérale hétérocyclique de cet acide aminé est
liée au C mais également à l'azote du groupe aminé. Le cycle formé par la chaîne latérale
porte le nom de noyau pyrrolidine.
La proline est un acide iminé car il contient une fonction amine secondaire (-NH-) alors
que les autres acides aminés ont tous une fonction amine primaire (-NH2). Cet acide aminé est
donc une exception à la formule générale.
La forme cyclique de la proline peut entraîner des contraintes dans la géométrie du
squelette polypeptidique qui la contient, créant parfois de brusques changements de direction
dans la conformation de la protéine.

Phénylalanine (C9) et tryptophane (C11)
Ces deux acides aminés possèdent une chaîne latérale aromatique.
La phénylalanine est constituée d'un radical phényle qui substitue un hydrogène de
l'alanine.
Le tryptophane possède deux hétérocycles formant le noyau indole (hétérocycle formé
d’un noyau aromatique et d’un noyau pyrrole).
On trouve ces acides aminés dans le cœur hydrophobe des protéines.

Méthionine (C5)
Cet acide aminé possède un atome de soufre dans sa chaîne latérale.
La chaîne latérale de la méthionine possède un groupe méthylthioéther. C'est un acide
aminé peu abondant dans les protéines mais qui intervient dans de nombreuses synthèses
biochimiques comme donneur de groupement méthyle.
2-b. Chaîne latérale hydrophile et neutre (polaire)
glycine (gly, G)
sérine (ser, S)
thréonine
cystéine (cys, C)
(T, thr)
pHi = 5.97
MM = 75 g.mol
pHi = 5.68
-1
asparagine
MM = 105 g.mol
pHi = 6.53
-1
MM = 119 g.mol
pH i= 5.02
-1
MM = 121 g.mol-1
glutamine (glu, Q)
tyrosine (tyr, Y)
pH = 5.41
pH = 5.65
pH = 5.65
MM = 75 g.mol-1
MM = 105 g.mol-1
MM = 181 g.mol-1
(asn, N)

Glycine (C2)
C'est le plus simple des acides aminés car R = H. C’est le seul acide aminé qui ne possède
pas de carbone asymétrique.
Son ancien nom de glycocolle (qui veut dire sucre de colle) provient de son goût sucré et
du fait qu'il a été isolé la première fois à partir d'un hydrolysat de gélatine.
Cet acide aminé est présent dans toutes les protéines et est abondant dans certaines d'entre
elles comme par exemple la fibroïne de la soie qui en contient 40%.
Il joue un rôle important dans la conformation de la protéine, sa faible taille lui permettant
de se placer là où d'autres acides aminés sont exclus.

Sérine et thréonine
Ces deux acides aminés possèdent une fonction alcool (alcool primaire pour la sérine et
secondaire pour la thréonine). Ces alcools peuvent être estérifiés par l’acide phosphorique
pour former la phosphosérine et la phosphothréonine qui jouent un rôle important dans la
régulation de l’activité des protéines.
On retrouve ces acides aminés au niveau du site catalytique de certaines enzymes. Ils
servent également de liaison avec les glucides pour former les glycoprotéines.

Cystéine (C3)
La chaîne latérale de la cystéine possède un groupement thiol (-SH) qui joue un rôle
important dans la structure de certaines protéines. Le groupement thiol peut former des
liaisons hydrogène avec l’oxygène et l’azote. Il permet aussi d'établir une jonction entre des
régions d'une même chaîne polypeptidique ou en reliant deux chaînes polypeptidiques par
oxydation. L’oxydation de deux cystéines conduit en effet à la formation d’un pont disulfure
qui stabilise la structure dans l’espace de certaines protéines

Asparagine (C4) et glutamine (C5)
La chaîne latérale de l’asparagine porte une fonction amide en C. Bien que non chargée,
cette chaîne latérale est fortement polaire. Le groupe amide peut former des liaisons
hydrogène avec les atomes des chaînes latérales d’autres acides aminés polaires.
La glutamine présente les mêmes caractéristiques que l’asparagine mais avec une chaîne
carbonée présentant un carbone de plus. Elle joue un rôle essentiel dans le transport et la mise
en réserve de l'azote aminé avec passage possible à l'ammoniaque

Tyrosine (C9)
Cet acide aminé provient de la substitution de l'hydrogène en para de la phénylalanine par
un groupe hydroxyle (polaire). L'hydroxyle de la tyrosine intervient dans le mécanisme
catalytique de certaines enzymes. Il est également à l'origine de composés biochimiques
importants tels que les hormones thyroïdiennes mais également des neurotransmetteurs tels
que l'adrénaline.
Deux acides aminés polaires ont été identifiés plus récemment comme étant des AA standards
(protéinogènes mais beaucoup plus rares),
Pyrrolysine (Pyl, O)
MM = 255 g.mol
-1
Sélénocystéine (Sec, U)
MM = 168 g.mol-1 (pKa R = 5,2)
2-c. Chaîne latérale hydrophile et basique
histidine (his, H)
lysine (lys, K)
arginine (arg, R)
pH = 7.59
pH = 9.74
pH = 10.76
MM = 155 g.mol-1
MM = 146 g.mol-1
MM = 174 g.mol-1
Ces trois acides aminés basiques possèdent au moins un atome d'azote et six atomes de
carbone. C'est pourquoi ils portaient anciennement le nom de " bases hexoniques ".
La chaîne latérale de l’histidine comporte un noyau imidazole. Ce groupe imidazole est
ionisable et sa forme protonée porte le nom d’ion imidazolium :
La chaîne latérale de la lysine porte une amine primaire et est une base forte. A pH 7,
l'espèce ionique majeure est l'ion ammonium (-NH3+), conférant ainsi une charge positive.
Rappel : Les carbones de la chaîne latérale sont différenciés par des lettres grecques : le
carbone adjacent au carboxyle est désigné carbone , et les autres dans l'ordre, , , , , etc.
C'est pourquoi on parle de groupe -aminé terminal de la lysine.
L'arginine est le plus basique de ces trois acides aminés. A pH 7, son groupe guanidine est
sous forme d'ion guanidium :
2-d. Chaîne latérale hydrophile et acide
acide aspartique
acide glutamique
(asp, D)
(glu, E)
pH = 2.98
MM = 133 g.mol
pH = 3.22
-1
MM = 147 g.mol-1
Ces deux acides aminés contiennent un groupe carboxyle sur leur chaîne latérale :
-
Aspartate : groupe -carboxyle ;
-
Glutamate : groupe -carboxyle.
A pH 7, ils sont sous forme carboxylate et confèrent aux protéines une charge négative
exposée à leur surface. C'est pourquoi on les nomme aspartate et glutamate et non les formes
acides correspondantes, acide aspartique et acide glutamique. Ces deux acides aminés jouent
un rôle important dans le métabolisme.
On pourrait également proposer une classification regroupant les acides aminés
aromatiques (Phe, Trp, Tyr), ou regroupant ensembles tous les acides aminés à chaine latérale
ionisable dans l’ordre croissant du pKa de la chaine latérale (Asp, Glu, Sel, His, Cys, Tyr, Lys
et Arg)
Remarque :
Parmi ces 22 AA nécessaires à la synthèse des protéines, 10 ne peuvent être synthétisés in
vivo par les Mammifères en quantité suffisante pour couvrir leur besoin. Ces 10 AA sont dits
« indispensables » et doivent être apportés par l’alimentation.
Acides aminés
Acides aminés non
indispensables
indispensables
Ile
Ala
Leu
Asp
Lys
Asn
Met
Cys
Phe
Glu
Thr
Gln
Trp
Gly
Val
Pro
Arg*
Ser
His*
Tyr
Les acides aminés indispensables et non indispensables pour l'homme adulte
* Ces AA sont dits « semi-indispensables » car ils peuvent être synthétisés mais à un taux
insuffisant pour le soutien de la croissance des jeunes ?
B. PROPRIETES GENERALES
1. Propriétés physiques
1a. Solubilité
La solubilité des acides aminés dans l’eau est en rapport avec leur structure et dépend de
plusieurs facteurs : la nature de la chaîne latérale R, le pH de la solution, la nature et la
concentration des ions éventuellement présents en solution. La solubilité des acides aminés
dans les solvants organiques est faible et très variée. Elle est mise à profit dans des
techniques séparatives comme la CCM.
1b. Pouvoir rotatoire
Toute molécule chirale possède la particularité d'être "optiquement active", c'est à
dire que lorsqu'elle est traversée par un faisceau de lumière polarisée, elle provoque une
rotation du plan de polarisation (plan de vibration) de cette lumière. Ainsi, à chacun des 21
acides aminés possédant un carbone asymétrique correspond 2 isomères optiques ayant un
pouvoir rotatoire de signe opposé:

l'un fait tourner le plan de polarisation de la lumière dans le sens inverse des aiguilles
d'une montre, il est dit lévogyre ou (-) ou l;

l'autre fait tourner le plan de polarisation de la lumière dans le sens inverse, il est dit
dextrogyre ou (+) ou d.
Le C, lié au -NH2 et -COOH, est chiral ou asymétrique (sauf pour la glycine où R = H),
car il porte 4 substituants différents. Les 21 acides aminés possédant un C asymétrique
peuvent exister sous forme de stéréoisomères, c'est-à-dire sous forme de composés de
formule moléculaire identique mais différant par l'arrangement spatial de leurs atomes,
autrement dit par leur configuration. Pour chaque acide aminé chiral, il existe 2
énantiomères, c'est-à-dire 2 stéréoisomères qui sont l'image l'un de l'autre dans un miroir
(rappel: les stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères sont des diastéréoisomères). Par
convention, chaque énantiomère d'acide aminé est identifié selon son type de configuration D
ou L, en faisant référence au glycéraldéhyde :
L-alanine
D-alanine
Les protéines ne renferment que des acides aminés qui ont une configuration spatiale
comparable à celle du L-glycéraldéhyde (qui sert de modèle de référence historique). Ce sont
donc tous des acides L--aminés. On doit à Pauling et Corey (prix Nobel, années 50) d'avoir
démontré que les acides aminés constitutifs des peptides et des protéines sont tous de forme L.
Remarque 1 : on peut rencontrer des acides aminés de configuration D dans la nature, par
exemple dans les parois bactériennes et dans certains polypeptides bactériens à activité
antibiotique.
Remarque 2: le fait d'être D ne signifie pas que l'acide aminé est dextrogyre. De même, un
acide aminé L n'est pas forcément lévogyre. Ainsi, les acides aminés contenus dans les
protéines sont tous L mais certains sont lévogyres et d'autres dextrogyres.
1c. Propriétés d’absorption dans l’ultraviolet
Les acides aminés présentent une absorption importante à une longueur d’onde inférieure à
230 nm et certains absorbent entre 250 et 300 nm (UV). C’est le cas de la Phe, de la Tyr et du
Trp. Leur propriété d’absorption UV et liée à la présence de double liaisons conjuguées au
niveau de leur chaîne latérale. A pH neutre, la Tyr et le Trp absorbent à 280 nm et la Phe
absorbe plutôt à 260 nm. La mesure de l'absorbance à 280 nm est un moyen de quantifier ces
acides aminés et par conséquence également un moyen de doser les protéines, via la loi de
Beer-Lambert.
D’après Wetlaufer, D.B., 1962. Ultraviolet spectra of proteins and amino acids. Advances in
Protein Chemistry 17:303–390
2. Ionisation en solution
L’ionisation est une propriété essentielle car elle conditionne le comportement des acides
aminés et par conséquent celui des protéines en solution aqueuse, selon le pH du milieu.
Les acides aminés sont des composés amphotères : capables de céder ou d’accepter des
protons, pouvant ainsi se comporter comme une base ou comme un acide en fonction du pH
du milieu.
On verra le cas des acides aminés présentant une chaîne latérale ionisable en TD.
2a. Cas des acides aminés à R non ionisable
Les acides aminés à une seule fonction acide et une seule fonction basique sont ceux du
groupe des R hydrophobes et des R hydrophiles neutres (à l'exception de la cystéine et de la
tyrosine). On a deux dissociations possibles et l’acide aminé peut se trouver sous trois formes
différentes en fonction du pH de la solution. Les deux pKa déterminent 5 zones dans l’échelle
des pH, caractérisées par la prédominance de l’une ou de l’autre des trois formes possibles :
zmitterion
Cation
0
pK1
pI
Anion
pK2
pH
Cation 50%
Zmitterion 50%
Zmitterion
100%
Anion 50%
Zmitterion 50%
Au pK1, pK de dissociation du groupe carboxyle, on a 50% de la forme anion et 50% de la
forme zwitterion. Au pK2, pK de dissociation du groupe aminé, on a 50% de la forme
zwitterion et 50% de la forme cation.
Il existe une zone de pH pour laquelle l’acide aminé se trouve essentiellement sous forme
de zwitterion. Cette zone de pH est appelée zone isoélectrique (plus de 99% de la forme
zwitterion) : elle est comprise entre le pK1 + 2 et le pK2 – 2.
3HN
+ __
CH (R) __ COO-
NH2
R
anion
charge
électrique -1
R
CH
A
COOH
NH3+
NH2
CH
A-
R
cation
charge
électrique +1
CH
COO-
COOH
NH3+
R
A±
CH
COOion mixte dipolaire ou
"zwitterion"
électriquement neutre
Les différentes formes ionisées des acides aminés à chaîne latérale non ionisable
En raison de la proximité de la fonction carboxylique et de la fonction amine (portées
par le même carbone, le carbone ), ces fonctions sont plus acides que leur homologues
en bout de chaine aliphatique. Ainsi, le pKa de COOH est de l’ordre de 2, et le pKa
NH2 de l’ordre de 9
2b. Cas des acides aminés à R ionisable
Les acides aminés dicarboxyliques peuvent subir trois dissociations successives. Ils sont
qualifiés d’acides aminés acides. Les acides diaminés peuvent aussi subir trois dissociations
successives. Ils sont qualifiés d’acides aminés basiques. (cf TD)
exemple de dissociation de l'acide glutamique
A+
http://biochimej.univangers.fr/Page2/TexteTD/7ModuleS6BG3/ZSuite/5HenderHassel/1HenderHassel.htm
Exemple de courbe de titration : l'histidine
Les pKaR des chaines latérales sont données dans le poly de TD
III. LES PEPTIDES
On distingue, selon le nombre de résidus d'acides aminés, les oligopeptides (qui
contiennent de 2 à 5 acides aminés) et les polypeptides (de 6 à plusieurs dizaines d’acides
aminés).
1.
Structure
1a. La liaison peptidique
La liaison peptidique est une liaison covalente formée par une réaction de condensation
avec l'élimination d'une molécule d'eau entre le groupement -carboxylique d'un acide aminé
et le groupement -aminé d'un autre acide aminé (réaction de condensation). La liaison
peptidique est une liaison amide particulière. Le groupement -aminé de l'acide aminé 2 agit
comme un nucléophile pour déplacer le groupement hydroxyle de l'acide aminé 1:
H2N __ CH (R1) __ COOH +
H2N __ CH (R1) __ COOH

+ H2 0
Formation de la liaison peptidique
exemple
La liaison peptidique présente un caractère partiel de double liaison. En effet, dans la
liaison peptidique, deux doublets d'électrons sont situés à proximité : les électrons  du
carbone carbonyle et les électrons disponibles de l'atome d'azote. Leur résonance donne au
groupe peptidique une structure intermédiaire entre deux formes limites mésomères ainsi, la
liaison peptidique est intermédiaire entre une liaison simple et une liaison double. On estime à
40% son caractère double.
Formes limites (mésomères) de la liaison peptidique
Il en résulte que le groupe peptidique est une structure rigide dans une géométrie plane : 6
atomes (les deux atomes de la liaison et les 4 atomes adjacents) se trouvent dans un même
plan.
Les deux C se placent de part et d'autre du pont C-N, le plus souvent dans la
configuration trans, en tenant compte des contraintes stériques. La configuration trans est en
effet la plus favorable sur le plan thermodynamique.
La Proline est une exception: environ 10% des résidus Proline sont en configuration cis.
En effet, en raison de sa structure circulaire impliquant une amine secondaire, la configuration
cis n'entraîne pas beaucoup plus d'interférence stérique que la configuration trans. Les
Prolines, en configuration cis, introduisent des courbure ou coudes dans la structure des
peptides et des protéines.
Il faut noter que de part et d'autre de ce motif rigide, les rotations des groupes autour des
liaisons C-N () et C-C () sont libres et seulement limitées par des contraintes stériques qui
déterminent la structure tridimensionnelle des protéines.
1b. Les ponts disulfures
Un peptide peut comporter une ou plusieurs chaines peptidiques. Ces chaines sont
généralement liées par un pont disulfure, c’est-à-dire une liaison covalente entre deux
cystéines. Cette liaison résulte de l’oxydation des groupements SH de deux cystéines (forme
réduite) et donne lieu à la forme oxydée S-S appelée cystine.
2.
Nomenclature
Exemple d'un
tétrapeptide : glutamyle-glycyle-alanyle-lysyne.
Par convention, le résidu AA dont la fonction  amine reste libre est écrit à gauche, et
celui dont la fonction  carboxylique reste libre est écrit à droite. Le résidu AA dont la
fonction  amine est libre est appelé N-ter (à gauche), le résidu AA dont la fonction 
carboxylique est libre est appelé C-ter.
Ainsi, le dipeptide glycylalanine est différent du dispeptide alanylglycine
Les résidus AA porte un suffixe « yle » sauf le C-ter qui garde son nom d’aminoacide.
Rq : des peptides peuvent résulter de la condensation entre des fonctions amines ou
carboxyliques des chaines latérales (et non les fonctions dans ce cas, on parle de
peptidoïdes ou de liaison peptidoïque.
2. DETERMINATION DE LA STRUCTURE DES PEPTIDES
Au préalable, les ponts disulfures doivent être rompus et les cystéines protégées pour
qu’ils ne se reforment pas
2a - Détermination de la composition en acides aminés = séquence primaire
Hydrolyse des liaisons peptidiques afin de libérer les acides aminés. L'hydrolyse est
réalisée en présence d'HCl 6 M à 110°C, sous vide et pendant 16 à 72 h. Certains acides
aminés peuvent être détruit (Asn en Asp et la Gln en Glu; Trp).
Analyse des acides aminés par chromatographie de partage sous forme de dérivés PTC ou par
chromatographie d’échange d’ions.
2b - Détermination de la séquence peptidique
Réactifs agissant côté -NH2 terminal : identification du résidu N-terminal
Méthode de Sanger : L’arylation par le fluoro-2,4-dinitrobenzène (FDNB ou réactif de
Sanger) donnant un dérivé DiNitroPhényle avec l’AA N-terminal (DNP-AA1)
Méthode historique
Réaction d’acylation par le 1-diméthyl-amino-naphtalène-5-sulfonyle (DNS Cl ou chlorure
de DANSyle. Donnant un dérivé DNS-AA1.
Plus sensible que la précédente (x 100).
Le problème de ce type de dérivations (avec le FDNB ou le DNS Cl) est que seul l’acide
aminé N-terminal est identifié. En effet, après dérivation du peptide par son extrémité Nterminale, on procède à son hydrolyse totale.
Méthode récurrente d'Edman :
Elle permet de détacher l’acide aminé N-terminal sans avoir à hydrolyser le reste de la
chaîne
1. Traitement par le phénylisothiocyanate (PITC) du peptide à n résidus : à pH 9, le PITC
réagit avec le -NH2 terminal du peptide pour donner un dérivé phénylthiocarbamyle
(PITC-peptide) ;
2. Traitement par l'acide trifluoroacétique : en milieu acide doux, le dérivé PITC-peptide
est cyclisé en dérivé PTH (phénylthiohydantoïne) qui se détache en laissant la chaîne
raccourcie d’un résidu ;
3. Extraction du dérivé PTH-aa par un solvant organique : lors de l'extraction du dérivé
par un solvant organique, le peptide à (n-1) résidus reste dans la phase aqueuse.
4. Analyse par chromatographie du dérivé PTH-aa .
Des séquenceurs automatiques permettent l’analyse des séquences de peptides contenant
jusqu’à 50 acides aminés. Quelques pmoles de peptide suffisent pour en déterminer la
séquence.
Réactifs agissant côté -COOH terminal
Traitement du peptide par de l’hydrazine anhydre, 2HN-NH2, (12 h à 100°C) : hydrolyse
des liaisons peptidiques et formation d’hydrazides d’acides aminés.
Seule la fonction carboxyle de l’acide aminé C-terminal n’est pas attaquée. En effet, en
solution dans l’hydrazine, les fonctions acides libres se trouvent sous forme d’ions
carboxylates qui résistent à une addition nucléophile. Le résidu C-terminal est ainsi libéré
sous forme d’acide aminé libre et peut être identifié par chromatographie.
Utilisation d'enzyme : décarboxylase
Méthodes enzymatiques
On fait appel à des peptidases :

Exopeptidases: peptidases qui hydrolysent la chaîne à l’extrémité C-terminale du peptide
(carboxypeptidases) ou à l’extrémité N-terminale (aminopeptidases)

Endopeptidases : peptidases qui hydrolysent les liaisons peptidiques internes.
Ces enzymes sont en général très spécifiques de l’acide aminé mais également du côté de
coupure : coupure du côté du carbonyle ou du côté de l’amine de la liaison peptidique. :
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
N
C
C
N
C
C
N
C
C
N
C
C
N
C
C
N
C
C
R
Val
Leu
Ile
THERMO
-LYSINE
R
Phe
Tyr
(Trp)
PEPSINE
R
Asp
Glu
R
R
Arg
Lys
R
Phe
Tyr
Trp
(Leu)
(Ile)
PROTEASE
STAPHYLOCOCCIQUE
Spécificité des endopeptidases
CHYMOTRYPSINE
TRYPSIE
PAPAINE
Méthodes chimiques spécifiques
Le clivage spécifique des peptides peut se faire par des méthodes chimiques. Nous ne
verrons que les plus utilisées.

Action de l’hydroxylamine (NH2OH) :
L’hydroxylamine coupe la chaîne peptidique entre l’arginine et la lysine.
COO-

Action de l’iodobenzoate :
I
Il coupe la chaîne peptidique du côté carboxylique des résidus de Trp.

Action du bromure de cyanogène :
Le bromure de cyanogène coupe la chaîne peptidique du coté carboxylique des résidus
méthionine en réagissant avec l’atome de soufre du groupement thioéther. Cette réaction
complexe passe par un intermédiaire cyclique.
Coupure d'une chaîne peptidique par le bromure de cyanogène au niveau de la méthionine

Coupure des ponts disulfures
Les méthodes de séquençage que nous venons de voir ne s’appliquent qu’aux peptides sous
forme d’enchaînements linéaires d’acides aminés. Il est donc nécessaire de rompre les ponts
disulfures intra- ou interchaînes préalablement au séquençage. Cette rupture doit aussi éviter
leur reconstitution.
On utilise deux méthodes pour couper les ponts disulfures
Oxydation par l’acide performique. Certains acides aminés, dont le Trp, peuvent être altérés ;
Réduction par un thiol suivie d’une alkylation . Le -mercaptoéthanol est le plus utilisé. On
peut aussi utiliser du dithiothréitol. L’alkylation permet d’éviter la reconstitution des ponts
disulfures. Elle produit des dérivés S-carboxyméthylés stables.
3. QUELQUES EXEMPLE DE PEPTIDES A ACTIVITE BIOLOGIQUE
L'insuline
L'insuline, hormone pancréatique, contient 2 chaînes polypeptidiques, l'une de 30 acides
aminés et l'autre de 21 acides aminés reliées par 2 ponts disulfures (MM = 6 000). L'insuline
est sécrétée par les cellules  du pancréas en réponse à une augmentation de la glycémie.
Cette hormone induit au niveau des organes un accroissement du captage, du stockage et de
l'utilisation du glucose sanguin.
Le glucagon
Le glucagon est une autre hormone pancréatique constituée de 29 acides aminés (MM = 3
500), est une hormone pancréatique sécrétée par les cellules  du pancréas quand le taux de
glucose sanguin est trop bas. Ses effets s'opposent à ceux de l'insuline.
Les Enkephalines
Les enképhalines sont des peptides formés dans le système nerveux central qui induisent
sur certaines cellules cérébrales une analgésie
Certains antibiotiques sont des polypeptides provenant de champignons. Ils contiennent
non seulement des acides L-aminés mais aussi des acides D-aminés. La tyrocidine, la
gramicidine (cyclique), la pénicilline (Val-Cys-acide organique) en sont des exemples.
L'aspartame, est un dipeptide synthétisé et commercialisé, le L-aspartylphénylalanyl
méthylester. Il s'agit d'un édulcorant artificiel, à haut pouvoir sucrant.
Le glutathion est un tripeptide de formule -glutamylcystéylglycine. Il se caractérise par
une liaison non pas -peptidique mais -peptidique entre la Glu (C) et la Cys. Cette liaison
n’étant pas une liaison peptidique telle que donnée par la définition, elle porte le nom de
liaison peptidoïde.
Le glutathion est une molécule réduite qui permet l'élimination des molécules oxydantes et
toxiques de la cellule (radicaux libres, H2O2, etc.).
IV. LES PROTEINES
A. DEFINITION
Les protéines sont des macromolécules composées d'acides aminés liés par liaisons
peptidiques. De masse molaire supérieure à 6 000 da, on peut les considérer comme de gros
peptides. Parmi les protéines, on distingue:

Les holoprotéines qui libèrent uniquement des acides aminés par hydrolyse ;

Les hétéroprotéines qui libèrent par hydrolyse non seulement des acides aminés mais
aussi un autre (ou plusieurs autres) composé(s).
Selon la nature de cet autre composé, on distingue :
Composé non protéique
Hétéroprotéine
Exemple
Pigment coloré
Chromoprotéine
hémoglobine
Métal
Métalloprotéine
alcool deshydrogénase
H3PO4
Phosphoprotéine
caséine
Acide nucléique
Nucléoprotéine
ribosome
Lipide
Lipoprotéine
lipoprotéine plasmatique
Glucide
Glycoprotéine
la plupart des protéines
plasmatiques
Tableau. Les hétéroprotéines
Une autre distinction porte sur la forme des protéines :
- les protéines fibreuses ont une forme allongée et forment des associations mécaniquement
résistantes et insolubles. Elles constituent la charpente des cellules et des organismes (rôle
statique). Citons la kératine (phanères) et le collagène (tendons, peau, os).
les protéines globulaires ont une forme grossièrement sphérique. La chaîne polypeptidique
se trouve repliée, enroulée de manière compacte. Les replis et les fentes de la structure sont
souvent des lieux d'interaction avec d'autres molécules. Elles ont un rôle dynamique parce
qu'elles fixent des molécules particulières de manière transitoire. Citons, parmi les protéines
globulaires, les enzymes.
Les protéines remplissent une très large gamme de fonctions. Citons:

Rôle catalytique (enzymes): presque toutes les réactions chimiques du monde vivant
dépendent des enzymes (on en connaît plusieurs milliers).

Rôle de transporteur, comme, par exemple, l'hémoglobine qui fixe et transporte
l'oxygène, ou les lipoprotéines qui transportent les lipides dans le sang.

Rôle structural: des protéines sont le support des structures biologiques, comme, par
exemple, le collagène, protéine fibreuse qui est le constituant principal des tendons et des
cartilages, ou la kératine des phanères (cheveux, poils, ongles).

Rôle mécanique: des associations de protéines donnent aux cellules et organismes la
capacité de se contracter, de modifier leur forme. Ces protéines sont à l'origine du travail
mécanique. C’est le cas de l'actine et de la myosine mises en jeu dans la contraction
musculaire.

Rôle régulateur de l'activité cellulaire et physiologique: il s'agit par exemple des
hormones, de leur récepteur, des protéines qui transmettent la réponse intracellulaire après
fixation des hormones à leur récepteur, etc.

Rôle de défense comme par exemple les anticorps (ou immunoglobulines) formés par les
lymphocytes B du système immunitaire, la thrombine et le fibrinogène qui sont des
acteurs de la coagulation sanguine en cas de lésions du système vasculaire, etc.
B. STRUCTURE
On peut décrire une protéine par une hiérarchie comptant, selon la complexité de la
protéine, de 1 à 4 niveaux de structure. Le premier niveau de structure correspond à la
séquence des acides aminés. Elle est déterminée génétiquement. Des arrangements de ces
structures primaires dans l'espace vont aboutir aux structures secondaires, tertiaires voire
quaternaires pour les protéines oligomériques. En effet, les protéines ont des structures
tridimensionnelles bien définies. Une chaîne polypeptidique étirée ou disposée au hasard est
dépourvue d'activité biologique. La fonction de la protéine dépend de sa conformation, ce qui
correspond à l'arrangement des atomes de la structure dans l'espace.
1.
Structure primaire
Définition: La structure primaire d'une protéine est l'ordre dans lequel les acides aminés
sont reliés par covalence pour former une chaîne polypeptidique. La structure primaire
apporte donc les informations suivantes: nombre et séquence (ordre d'enchaînement) des
résidus d’acides aminés de la protéine. Elle donne aussi le nombre et la position des ponts
disulfures.
Notons que la structure primaire d'une protéine est un caractère génétique puisque la
séquence peptidique dépend de la séquence nucléique du gène qui code pour cette protéine.
Ainsi, les anomalies de la structure primaire d'une protéine sont transmissibles aux
générations suivantes (caractère héréditaire des maladies génétiques).
2.
Structure secondaire
La mise en évidence de la structure secondaire des protéines est due à Pauling et Corey
qui, à la fin des années 30, entreprirent des études cristallographiques par diffraction des
rayons X de la structure des protéines. Ces travaux permirent de mettre en évidence des
éléments (ou motifs) structuraux de conformation répétitive et présents de manière récurrente
dans les protéines.
Le caractère de double liaison partielle de la liaison peptidique limitant les conformations
possibles d'une chaîne polypeptidique, il existe seulement un petit nombre de structures
secondaires.
Parmi les quelques repliements possibles, deux types de repliements sont particulièrement
courants car ils résultent d'interactions régulières par liaison hydrogène entre les liaisons
peptidiques elles-mêmes, et non pas entre les chaînes latérales des acides aminés de la chaîne
polypeptidique.
Ils ont été correctement prédits en 1951 à partir de constructions de modèles basées sur les
diagrammes de diffraction des rayons X de la soie et des cheveux.
Ces deux types de repliements sont L'hélice  que l'on trouve dans l' -kératine, protéine
de la peau et des phanères, et le feuillet  adopté par la fibroïne, protéine de la soie.
a. L’hélice 
Définition: C'est une hélice de pas droit stabilisée par des liaisons hydrogène
intracaténaires (hélice de pas droit = le tire-bouchon). Dans l'hélice , chaque O carbonyle est
en liaison hydrogène avec l'H de l'amide appartenant au 4ème résidu en aval du coté Cterminal. De telles liaisons hydrogène sont favorisées par la polarisation du groupe
peptidique. La terminologie hélice  n'est basée que sur une classification ancienne,
antérieure à la détermination de la structure. L'hélice  est très quasiment toujours une hélice
droite (qui fait tourner dans le sens des aiguilles d'une montre quand on progresse le long de
la chaîne principale, pourvu que l'œil soit toujours du côté dont on s'éloigne).
L’hélice  forme ainsi un cylindre rigide dans lequel chaque liaison peptidique est reliée
de manière régulière par liaison hydrogène à d'autres liaisons peptidiques proches dans la
chaîne.
Les chaînes latérales se projettent en arrière du sens de progression de l'hélice et vers
l'extérieur, créant le minimum d'interférences stériques avec le squelette polypeptidique.
C'est la somme des liaisons hydrogène qui donne à l'hélice  sa considérable stabilité.
Cependant, la nature de la chaîne latérale influence la stabilité de l'hélice, aussi existe-t-il une
prédominance de certains acides aminés tels que Ala, Glu, Leu et Met alors que d'autres
acides aminés sont quasiment absents des hélices  (Pro, Gly, Ser ou Tyr).
Caractéristiques: L'hélice  possède des dimensions fixes:

3,6 résidus par tour (pas) ;

pas de l'hélice = 0,54 nm (distance parcourue par tour mesurée le long de l'axe de l'hélice).
L’hélice  est symbolisée par une boucle.
Elle est schématisée dans les structures protéiques, selon l'axe de vision par :
et
Hélice 
feuillet 
b. Le feuillet 
Définition: Il est constitué de chaînes polypeptidiques étirées, stabilisées par des liaisons
hydrogène reliant les O carbonyle aux H des groupes amide. Ces liaisons unissent soit des
chaînes polypeptidiques adjacentes (au moins 2), soit divers segments de la même chaîne.
Le module de base est le brin, dont la conformation est très étendue et que l'on peut
assimiler à une hélice contenant seulement deux résidus par tour (puisque l'on retrouve la
même disposition des résidus tous les deux résidus) et un déplacement de 3,4 A° par résidu.
Cette conformation n'est pas stable si elle est isolée, car aucune liaison H n'y apparaît. Elle
n'est stable que dans les feuillets , dans lesquels les liaisons H s'établissent entre deux brins
 différents soit parallèles soit antiparallèles.
On dit que les feuillets  sont plissés parce que les C sont tour à tour légèrement audessus et en dessous du plan du feuillet . Les liaisons hydrogène sont perpendiculaires à l'axe
des chaînes étirées. Les chaînes courent soit de manière parallèle (toutes dans le même sens N
vers C-terminal) ou antiparallèle (alternativement dans un sens et dans l'autre).
Feuillet antiparallèle
Feuillet parallèle
Feuillet de 4 brins anti parallèles
Feuillet de 4 brins parallèles
Les feuillets  sont schématisés par des flèches.
Certains acides aminés induisent plus favorablement certaines structures secondaires.
On trouve par exemple beaucoup plus fréquemment un Glu dans une hélice  que dans
un feuillet , et inversement, on trouve beaucoup plus fréquemment une valine dans un
feuillet quedans une hélice Il est alors possible à partir de la séquence primaire de
prédire des éléments de la structure secondaire.
3.
Structure tertiaire
Définition: La structure tertiaire est la conformation tridimensionnelle de la chaîne
polypeptidique dans son ensemble. Elle permet de séparer les protéines en deux groupes : les
protéines globulaires (plus ou moins sphériques, ellipsoïdales) et les protéines fibreuses,
formant des filaments ou des fibres.
Les protéines globulaires ont une structure tertiaire plus compliquée que les protéines
fibreuses. En effet, dans les protéines fibreuses, un seul type de structure secondaire
prédomine, alors que les protéines globulaires présentent souvent plusieurs types de structures
secondaires.
La structure tertiaire des protéines globulaires est déterminée par:

les structures secondaires présentes ;

les coudes, c'est à dire les boucles qui relient les structures secondaires en permettant le
reploiement de la chaîne en sa forme globulaire ;

les liaisons faibles et les ponts disulfures qui relient des résidus éloignés dans la chaîne.
Ces liaisons sont responsables du repliement de la protéine et donc de sa conformation.
Bien que les liaisons covalentes soient beaucoup plus puissantes, les interactions faibles
prédominent en raison de leur nombre comme forces de stabilisation de la structure protéique.
La conformation la plus stable est celle où les résidus hydrophobes sont dissimulés à
l'intérieur de la protéine et pour laquelle le nombre de liaisons hydrogène est maximisé.
La figure présente un type courant de structure tertiaire, structure formée de l'alternance d'
hélices  et de feuillets . Cette structure, nommée barrique ou tonneau /, se retrouve dans
certaines enzymes, comme la triose phosphate isomérase.
La structure tertiaire des protéines
4.
Structure quaternaire
Définition: La structure quaternaire décrit l'agencement des sous-unités des protéines
oligomériques.
Elle concerne uniquement les protéines qui renferment au moins 2 ou plusieurs chaînes
polypeptidiques unies par des liaisons non covalentes (hydrophobes et ioniques
principalement). Chacune des chaînes est appelée sous-unité ou monomère et leur ensemble
forme une structure supra-moléculaire qu’on appelle une protéine oligomérique.
Interactions impliquées dans la structure des protéines
V. QUELQUES EXEMPLES
A. D'HOLOPROTEINES
1) Protéines globulaires
Les protéines du sérum (ou protéines sériques) : albumine et globulines. La
sérumalbumine intervient dans l’équilibre osmotique et dans le transport de nombreuses
substances telles que les ions, les acides gras, la bilirubine, des hormones mais également
des médicaments, des colorants, etc
On trouve aussi des albumines dans le lait (lactalbumine) et dans le blanc d’œuf
(ovalbumine).
Les immunoglobulines (reconnaissance antigène/anticorps)
Les histones
2) Les protéines fibreuses
La notion de structure tertiaire perd son sens pour les protéines fibreuses qui sont en fait
des associations entre molécules dans un certain état secondaire. Les fibres sont en effet le
résultat d'agrégats ordonnés de molécules élémentaires qui sont toutes sous une unique
conformation (hélice ou feuillet) et qui n'existent normalement pas isolées.
Les points communs des protéines fibreuses sont la périodicité de séquences à l'origine de
l'association des molécules, la réticulation et l'exposition des résidus apolaires. Ces points
communs expliquent leur forme, leur insolubilité et leurs propriétés mécaniques.

L’-kératine :
Composant prépondérant de la laine, des cheveux, de la peau et des ongles, la kératine 
est une protéine fibreuse constituée presque exclusivement d'hélices enroulées l'une
sur
l’autre et dont la cohésion est maintenue par des interactions hydrophobes et des ponts
disulfures.
Les deux superhélices se réenroulent l’une sur l’autre en une torsade de superhélices,
nommée protofibrille.
L’accolement latéral de ces torsades (quatre ou huit) forme des microfibrilles plus ou
moins réticulées par des ponts disulfure. Cimentées par une protéines amorphe, elles
composent à leur tour des macrofibrilles qui sont empilées et empaquetées en fibres longues
et résistantes.
Un cheveu est ainsi constitué d’un faisceau de macrofibrilles d’un diamètre moyen de 20
m.
On classe les kératines  en « dures » (cheveux, ongles, cornes) et « molles » (épiderme).
Leur rigidité et leur résistance à la déformation sont dues à la densité des ponts disulfures
donc à la richesse en cystéines.

La fibroïne de la soie :
Cette protéine est formée de feuillets plissés  antiparallèles empilés les uns sur les autres
et qui s’étendent dans l’axe de la fibre. La cohésion de l'ensemble est assurée par des liaisons
hydrophobes entre les feuillets.
La structure primaire révèle la répétition d'une séquence d’acides aminés qui distribue des
résidus Gly d'un côté du feuillet et Ser et Ala de l'autre. Les feuillets s'empilent faces " Gly "
en contact, faces " Ser, Ala " en contact, en une structure en mille-feuilles qui rappelle celle
de la cellulose.
[Gly - Ala - Gly - Ala - Gly - Ser - Gly - Ala - Ala - Gly - (Ser - Gly - Ala - Gly - Ala - Gly)8]
La structure cristalline obtenue est solide, non extensible mais souple.
C. EXEMPLES D’HETEROPROTEINES
Les hétéroprotéines sont constituées d’acides aminés mais aussi de substances variées
groupées en une unité distincte non protidique, appelée groupement prosthétique.La partie
protéique d’une hétéroprotéine porte le nom d’apoprotéine.

Les hémoglobines :
Ce sont les transporteurs d’oxygène des érythrocytes. Les hémoglobines sont constituées
d’une partie protéique, la globine et d’une partie non protéique (ou groupement prosthétique),
l’hème.
La globine est constituée de quatre chaînes polypeptidiques (tétramère) qui sont
maintenues ensemble par des interactions non covalentes. Chacune de ces chaînes contient un
hème (partie non protéique ou groupement prosthétique) et un seul site de liaison à l’oxygène.
Structure de l’hème : le groupement prosthétique des hémoglobines est, du point de vue
chimique, une porphine substituée (noyau tétrapyrrolique fermé par quatre ponts méthényle :
-CH =). C’est le cas de la protoporphyrine IX dont l’ensemble forme un plan. Les quatre
azote de ce noyau forment une structure chélatrice de métaux par coordination : Mn, Co, Mg,
etc. On réserve le nom d’hème aux métalloporphyrines à fer.
Structure des
porphyrines
Figure c). Structure de la protoporphyrine IX coordinant le fer ferreux
Dans l’hémoglobine fonctionnelle, c’est le fer ferreux qui est fixé (dans le plan du noyau)
par quatre liaisons de coordinance. Il reste deux liaisons à établir perpendiculairement à ce
plan pour l’hexacoordonner : l’une permet la fixation de la molécule de dioxygène. On parle
alors d’oxyhémoglobine. La cinquième liaison de coordination du fer permet de lier
l’apoprotéine. C’est le N3 de l’imidazole d’un résidu histidine de la globine qui fournit le
doublet d’électrons. Des liaisons faibles interviennent aussi dans cette association :

Liaisons ioniques entre les carboxyles des substituants du noyau tétrapyrrolique et des
résidus basiques (Arg et Lys) de la globine ;

Interactions hydrophobes entre le noyau tétrapyrrolique et la globine.
L’apoprotéine de l’hémoglobine A, principale hémoglobine de l’Homme adulte, est
constituée de deux chaînes (ou protomères)  et de deux chaînes  . Chaque protomère
d’hémoglobine est pratiquement identique à la myoglobine, hétéroprotéine localisée dans le
muscle qui sert de réserve d’oxygène et facilite le transport de l’oxygène dans le muscle. La
chaîne polypeptidique est constituée de huit segments de conformation -hélicoïdale droite. Il
y a également sept segments non hélicoïdaux, cinq entre les régions hélicoïdales, un à
l’extrémité Ct et un à l’extrémité Nt. La région centrale est presque entièrement constituée de
résidus apolaires alors que la région externe contient à la fois des résidus polaires et apolaires.
Les 4 niveaux de structures de l'hémoglobine.
VI. QUELQUES PROPRIETES DES PROTEINES
Les protéines partagent avec les peptides un certain nombre de propriétés: elles sont
hydrolysables; certaines protéines sont solubles dans l'eau et, dans ce cas, elles sont
ionisables. Mais en raison de leur complexité structurale, les protéines peuvent être
dénaturées, c'est à dire perdre leur structure sous l'effet d'agents dénaturants.
1.
Hydrolyse et séquençage
Les liaisons peptidiques des protéines sont rompues par hydrolyse (enzymatique ou
chimique), comme celles des peptides. Les mêmes méthodes que celles présentées pour les
peptides sont utilisées pour déterminer la structure primaire des protéines et la stratégie de
séquençage est résumée ci-dessous
1- Si la protéine contient plus d’une chaîne polypeptidique, les chaînes sont séparées avant le séquençage
2- Les ponts disulfure (S-S) entre les résidus cystéine d’une même chaîne polypeptidique sont rompus
(réduction S-S en SH , SH par action du 2-mercaptoéthanol, de l’acide iodoacétique, ou Oxydation en SO3
par de l’acide performique … )
3- Détermination de la composition en AA de chaque chaîne (hydrolyse totale des liaisons peptidiques,
identification /HPLC)
4- Identification des résidus N- et C- terminaux (méthodes récurrentes d’Edman, carboxypeptidases…)
5- Chaque chaîne polypeptidique est clivée en petits fragments dont on détermine la composition et
l’enchaînement (méthodes enzymatiques et chimiques). Cette étape est répétée à l’aide de techniques
différentes pour recouper les informations.
6- La séquence globale de la protéine est déduite à partir des séquences des différents fragments.
7- les ponts disulfures sont localisés
2.
Ionisation
Comme les peptides, les protéines ont des groupements ionisables. Pour chaque protéine, il
existe un pH pour lequel la charge moyenne de la molécule est nulle. C'est le pI ou pHi de la
protéine.
3.
Solubilité dans l’eau
Contrairement aux protéines fibreuses, insolubles, les protéines globulaires sont solubles
dans l'eau. Les protéines globulaires se caractérisent par un noyau hydrophobe et une surface
hydrophile. Leur solubilité dans l'eau dépend: de la concentration en sels, du pH
La solubilité d'une protéine est minimale pour pH = pI.
4.
Dénaturation
Une protéine peut être dénaturée c'est-à-dire qu'elle peut perdre sa conformation native
(naturelle et active) et, par conséquence, perdre son activité biologique. Le passage d'une
conformation native à une conformation dénaturée et inactive est réalisé par des agents
physiques ou chimiques dénaturants. Parmi les agents dénaturants, citons la chaleur
(perturbation des liaisons de faible énergie), les acides ou bases fortes (perturbations des
liaisons ioniques jusqu’à la rupture de liaisons covalentes), les détergents (perturbations des
liaisons hydrophobes)
Exemple de dénaturation thermique d'une ribonucléase.
Conséquence pratique: on manipule les protéines à froid (0 à 5°C).