Les ACIDES AMINES.

GÉNÉRALITÉS

Ce terme définit une famille de composés dans lesquels on retrouve une fonction amine et une fonction acide carboxylique. La fonction amine peut être primaire secondaire ou tertiaire et la position relative des deux fonctions peut être ,  ... . Ce point de vue général doit prendre en considération deux éléments.

L'interactivité des deux fonctions. Il est inutile d'étudier ce qui a déjà été vu, si les fonctions réagissent indépendamment .

Et l'importance biologique d'un nombre restreint d'acides, tous -aminés, qui sont les constituants de la matière vivante.

On ne verra ici que les acides -aminés, qui sont les monomères des polyamides, et les acides -aminés naturels.

LES ACIDES -AMINES, Les Polyamides.

Les acides -aminés outre la polymérisation, réaction intermoléculaire peuvent donner lieu à cyclisation, réaction intramoléculaire. C'est le cas de l'acide 6-aminocaproïque qui se cyclise en amide interne ou lactame en donnant le caprolactame. C'est un acide à 6 carbones, linéaire possédant une fonction amine primaire en C6. (6-aminohexanoïque).

Cette synthèse est sans grand intérêt, car on produit, dans l'industrie, d'abord le caprolactame. La réaction connue depuis 1900, est un réarrangement de Beckmann à partir de l'oxime de la cyclohexanone.

Le réactif est un composé acide et beaucoup ont été employés, (H₂SO₄, HCOOH, SO₂ liq etc.). Le groupe migrant est généralement le groupe anti par rapport à OH. Le mécanisme suppose une protonation de l'hydroxyle, la migration de R^- avec son doublet d'électron vient compenser la perte du doublet éliminé avec l'eau.

Une molécule d'eau neutralise l'ion en formant la forme tautomère de l'amide.

La synthèse du caprolactame à partir de la cyclohexanone est la suivante:

Le caprolactame est ensuite polymérisé en chaîne pour donner le Nylon 6 ou Perlon

Un autre polyamide est préparé à partir d'un -aminoacide, il s'agit du Rilsan. Le monomère est tiré de l'huile de ricin, qui est saponifiée et donne un acide gras l'acide ricinoleïque, ou d-hydroxy-12-octadécène-9-oïque cis.

La pyrolyse de cet acide conduit à l'undécilène-9-oïque.

Il est bromé selon Karash en bout de chaîne puis aminé en amino-11-undécanoïque.

Polymérisé, il donne le nylon-11 ou Rilsan.

Les autres nylons,(6-6, 6-10; Kevlar) seront vus en chimie industrielle.

Les ACIDES -AMINES NATURELS.

Les acides naturels sont tous porteurs du groupe amino en  du groupe carboxyle. Donc de la forme

Sauf un, la glycine, tous possèdent un carbone asymétrique. Tout en ayant des pouvoirs rotatoires différents (lévogyre ou dextrogyre), tous appartiennent à la série L.

Ils ont des propriétés acido-basiques particulières car ils possèdent à la fois un groupe acide et un groupe basique.

En milieu OH^- la fonction acide libère son proton 

En milieu H⁺ la fonction amine capte le proton 
    Les pK des deux fonctions étant différents, dans les conditions habituelles de pH les deux ions coexistent simultanément sur la même molécule. Cet ion est appelé sel interne ou "zwitter-ion". Des équilibres sont déplacés en milieu fortement acide ou fortement basique. Mais l'équilibre en milieu neutre entre la forme ionique et le forme moléculaire ne dépend que de la structure de l'acide aminé.
    Le comportement au cours d'une électrolyse d'une solution dépend du pH, puisque l'acide peut être plus chargé sur un site que sur l'autre, il se déplace dans ce cas vers l'électrode de signe contraire. Il arrive donc que pour une valeur donnée du pH les charges s'équilibrent et que l'acide est équitablement attiré par les deux électrodes et ne se déplace plus. Ce pH est appelé point isoélectrique. Cette valeur dépend de la nature de R et cela a permis la mise au point d'une méthode d'analyse dite Electrophorèse. Quelques gouttes d'acides aminés sont placées sur une feuille de papier imprégnée d'un électrolyte à un pH donné. Selon que son point isoélectrique est en deçà, atteint ou au delà du pH de l'électrolyte, l'acide migre dans un sens, reste immobile, ou migre dans l'autre sens quand le courant passe entre les électrodes.
    Enfin R n'est pas toujours un groupe hydrocarbure, il comporte parfois d'autre fonctions dont des acides carboxyliques et des amines

    Voici le tableau des vingt acides aminés naturels les plus courants, d'autres sont plus rares et ne sont pas étudiés systématiquement (ornithine, thyroxine...), ainsi que les pKa et les points isoélectriques

Nom	Formule	Symbole	pKa -COOH	pKa -NH3+	pt iso elect
glycine ou glycocolle		Gly	2,4	9,8	6,06
Alanine		Ala	2,4	9,9	6,1
Valine		Val	2,3	9,7	6,0
Leucine		Leu	2,3	9,7	6,03
Isoleucine		Ile	2,3	9,7	6,04
Sérine		Ser	2,2	9,4	5,7
Thréonine		Thr	2,1	9,1	5,6
Méthionine		Met	2,2	9,3	5,7
Cystéine		CySH	1,9	10,3	5,1
Proline		Pro	2	10,6	6,3
Phénylalanine		Phe	2,6	9,2	5,9
Thyrosine		Tyr	2,2	9,1	5,6
Tryptophane		Try	2,4	9,4	5,9
acide Aspartique		Asp	2,0	10	2,8
acide  Glutamique		Glu	2,1	10	3,2
Lysine		Lys	2,2	9,2	9,6
Arginine		Arg	1,8	9,0	11,2
Histidine		His	1,8	9,2	7,6
Asparagine		Asn	2,0	8,8
Glutamine		Gln	2,2	9,1

Synthèse.

Amination d'un acide -halogéné.

L'acide halogéné réagit via la fonction R-X sur l'ammoniac. Mais nous avons vu que cette réaction conduit généralement à des mélanges d'amines primaires, secondaires et tertiaires. Afin d'éviter cela on utilise la réaction de Gabriel avec la phtalimide.

Une variante intéressante est la combinaison de la synthèse malonique avec la réaction de Gabriel.

Il a été vu (chap. Acides ), que le malonate d'éthyle avec un CH₂ inséré entre deux fonctions esters pouvait facilement être bromé. Si une réaction de gabriel est faite sur ce réactif, l'hydrolyse de l'imide substituée va se faire en même temps que celle du diester et fournit de la glycine. Mais le plus intéressant est que cette imide peut encore perdre un proton mobile, qui peut être arraché par une base forte et substitué par un dérivé halogéné. Il est alors possible de faire de nombreux acide aminés.

Halogénation du malonate d'éthyle.

Condensation avec le sel de potassium de la phtalimide

Ce produit hydrolysé conduit à la glycine, mais l'hydrogène restant peut être substitué

Amination réductive d'un acide -cétonique.
    En présence d'ammoniac, d'hydrogène et d'un catalyseur comme le Nickel, les cétones sont converties en amines.

Action de HCN et NH₃ sur les aldéhydes; Réaction de Strecker.
    1° L'ammoniac réagit sur les aldéhydes en donnant un imine.

    2° L'acide cyanhydrique conduit à une cyanhydrine avec un aldéhyde.

    3° Le mélange des deux s'additionne sur l'aldéhyde en donnant un amino-nitrile, qui est hydrolysé en milieu acide en acide aminé.

    Toutes ces méthodes donnent le mélange racémique d'acide aminé qu'il faut ensuite séparer en chacun de ses énantiomères. On procède en formant généralement un sel avec une base naturelle énantiomériquement pure, pour obtenir un mélange de diastéréoisomères pouvant être séparés par les voies classiques, généralement une recristallisation fractionnée.
    Les progrès en chimie biologique permettent de disposer maintenant de réactifs enzymatiques, catalyseurs chiraux très sélectifs. Par exemple à partir de l'acide 2-oxopentanedioïque non chiral on prépare l'acide glutamique optiquement pur.

Réactivité.

La fonction acide donne des sels, des esters et des chlorures d'acides.

La fonction amine primaire donne des amides (avec les chlorures d'acides) et réagit avec l'acide nitreux pour donner une désamination. Cette réaction est mise à profit pour faire un dosage des acides aminés par la mesure du volume d'azote dégagé. (Méthode de Van Slyke).

Les acides aminés au moins en  donnent des lactames ou amide interne.
Mais cette cyclisation intramoléculaire n'est pas possible avec les acides -aminés. Ceux-ci donnent des réactions intermoléculaires entre deux molécules conduisant à une dicétopipérazine.

formation d'un lactame

formation d'une dicétopipérazine

Réaction avec la Ninhydrine.
    Très utilisée comme réactif révélateur des acides aminés en chromatographie. La ninhydrine est sous forme hydratée la 2,2-dihydroxyindan-1,3-dione, soit:

La fonction cétone centrale est très électrophile et réagit avec la fonction amine des acides aminés

L' -aminoalcool perd une mole d'eau, puis une mole de CO₂, en donnant une imine,

Cette imine est hydrolysée et libère un aldéhyde et une amine,

L'amine libérée réagit avec une autre mole de ninhydrine pour donner une nouvelle cétimine,

Ce composé fortement délocalisé est coloré, on le nomme Pourpre de Ruheman. Il est à noter qu'il ne reste qu'un atome d'azote provenant de l'acide aminé initial dans le colorant final.

Les amines primaires donnent une réaction analogue excepté le départ de CO₂ remplacé par une expulsion de proton.
 
 

PROTEINES ET PEPTIDES.

Les protéines sont des polymères d'acides aminés reliés entre eux par une liaison peptidique, c'est à dire la formation d'une amide entre la fonction acide d'un premier acide aminé et la fonction amine d'un deuxième. Contrairement aux différents polymères rencontrés précédemment le motif n'est pas répété selon une courte période, mais on observe des suites variées d'acides différents, même limité à 20 le nombre de combinaisons est fantastique car le nombre d'acides qui constituent la protéine est lui même considérable. D'où la grande variété de protéines existantes.

Les Peptides sont des protéines de faible dimension, on fixe la limite de façon arbitraire à une masse molaire de 10 000 pour les peptides, tandis que celle des protéines peut atteindre des dizaines de millions.

Peptides ou protéines, on les différencie donc par le nombre, la nature et l'ordre dans lesquels les acides aminés qui les composent se succèdent dans la molécule.

Représentation:

Par convention, les peptides s'écrivent avec l'acide aminé N-terminal (qui a le groupement -NH₂ libre) à gauche et l'acide aminé C-terminal (qui a le groupe -COOH libre) à droite.

Ainsi Gly-Ala signifie:

On arrive ainsi à représenter des molécules assez complexes comme l'angiotensine II une hormone du sang qui régule la pression sanguine:

En plus de la liaison amide (peptidique), reliant les acides aminés, un deuxième type de liaison covalente se forme entre deux éléments (ou résidus) cystéine, le pont disulfure. Ces liaisons se forment par oxydation d'une fonction thiol et la réaction est réversible , elle s'ouvre par réduction.

Par exemple RSH sous l'action de l'iode se dimérise selon le schéma:

2 R-SH R-S-S-R + 2 e^- + 2 H⁺

Ces liaisons se forment entre deux chaînes différentes, ce qui aura des conséquences sur la structure, ou créent un pont dans un même chaîne. On note alors la cystéine CyS (en majuscule) et on relie les deux S par un trait.

En présence de mercaptonéthanol HO-CH₂-CH₂-SH, les ponts de la protéïne sont réduits en RSH et le mercaptoéthanol est oxydé en dimère.

Sous l'action de l'acide performique HCOOOH les ponts disulfures sont coupés et transformés en acides sulfoniques.

Exemple de la Vasopressine, une hormone diurétique, dont l'extrémité se termine par une fonction amide -CO-NH₂ sur la glycine et non par un acide libre -COOH.

La fonction du chimiste dans ce domaine est bien sur l'analyse et la synthèse.

Détermination de la structure.

Le premier problème est relativement simple et les analyseurs sont maintenant automatisés.

1- Le peptide est d'abord réduit, ou oxydé, afin d'éliminer les liaisons disulfure.

Les dérivés obtenus sont ensuite séparés par différentes techniques.

La Dialyse ou séparation à travers une membrane semi-perméable selon la taille des fractions.

La Chromatographie d'exclusion ou de perméation de gel, sépare elle aussi selon la taille des molécules, mais de façon continue.

La chromatographie sur résines échangeuse d'ion, sépare selon la charge portés par les molécules.

L'Electrophorèse separe elle aussi selon la charge selon un procédé de transport par le courant sur un milieu électrolyte poreux.

2- Les peptides ainsi purifiés sont hydrolysés par une solution d'acide dilué (HCl 6N, 110°C, 24h ). Les liaisons amides sont rompues et les acides aminé libérés. Ils sont analysés qualitativement et quantitativement par chromatographie liquide sur une colonne de résine échangeuse d'ion polysufonatée. La phase éluante est une solution acide dont le pH évolue graduellement de 3 à 6. La détection est réalisée par un spectrophotomètre visible par ajout de ninhydrine à l'éluant. Ce réactif donne un complexe coloré avec les acides aminés.

Le second problème est plus délicat. Il a été résolu par Sanger en 1953 par la détermination de la structure de l'insuline (Nobel chimie 1958), et par Edman

La dégradation de Sanger utilise le 1-Fluoro-2,4dinitrobenzène comme réactif. Ce composé favorise une substitution nucléophile aromatique par addition-élimination par le caractère fortement attracteur des substituants du benzène. Rares ces réactions passent par un intermédiaire d'addition anionique de type,

Sur un peptide, il réagit avec l'extrémité aminée libre en donnant

L'hydrolyse suivante coupe les liaisons peptidiques mais pas la liaison Ar-NH. On récupère ainsi le dernier acide aminé de la chaîne.Cette réaction a ouvert la voie de l'analyse, mais le reste de le chaîne n'est plus relié et l'information sur sa structure est perdue.
La méthode suivante permet l'analyse de toute la séquence.
La dégradation d'Edman fait appel à un autre réactif l'isothiocyanate de phényle.

Cette fonction isothiocyanate très sensible aux nucléophiles conduit à une thiourée, par addition du NH sur la double liaison N=C.

Ce composé se cyclise en cycle à 5 éléments par attaque du doublet de l'azote fixée sur le cycle aromatique sur le carbonyle de l'amide. Cela entraîne la rupture d'une seule liaison peptidique et permet de réitérer l'opération sur le partie restante. Ce procédé a pu être automatisé et autorise en routine des séquençages de 20 acides aminés.

D'autre méthodes d'analyse des séquences ont été développées, ce secteur de la recherche est en forte progression.

Synthèse.

Il est indispensable de préparer à l'avance ces composes pour inactiver un des sites fonctionnel avant de les mettre en présence l'un de l'autre.
La technique du blocage d'une fonction est connue et se doit de présenter certaines caractéristiques pour être efficace.
Elle doit donner une liaison stable dans le milieu de la réaction prévue et facile à détruire pour libérer la fonction bloquée après réaction.
Les réactifs de blocage de la fonction amine sont des dérivés de l'acide carbonique sous forme de chlorure ou d'anhydride.

Chloroformiate de benzyle, dicarbonate de tertiobutyle

Blocage en milieu basique

Libération par hydrogénation

Le blocage de la fonction acide est fait par une estérification en ester méthylique ou éthylique, le déblocage par hydrolyse basique.
La libération se fait aussi en milieu acide aussi doit on catalyser la réaction sur le groupe amino resté libre en activant le COOH lui aussi libre. Dans ces conditions on arrive a ne former que le composé souhaité.

Méthode de Merrifield.
    Le procédé précédent risque d'être relativement lent pour un peptide long, afin de pouvoir automatiser ces séquences l'emploi d'un support solide a été developpé par Merrifield (Nobel chimie 1984).

Le polystyrène est un polymère vinylique de structure . Il est insoluble mais gonfle en présence de solvants de type dichhorométhane.Ce solvant retenu à la surface du solide permet une réaction, de ce fait les groupes phényles peuvent être fonctionnalisés par substitution électrophile aromatique. On fixe ainsi un CH₂Cl par action d'un chloroéther en présence de SnCl₄ comme catalyseur acide de Lewis.

On a pu réaliser ainsi la synthèse de l'insuline avec 5000 opérations élémentaires permettant de fixer les 50 acides aminés dans deux chaînes séparées reliées par des ponts disulfure. Cette synthèse totale fut obtenue en quelques jours. Elle forme avec les méthodes de séquençages elle aussi automatisées le seul moyen de confirmer la structure de peptides et a ouvert une voie nouvelle à la biologie.

Structure des Protéines.

La succession des acides aminés dans la chaîne constitue la structure primaire. Mais la chaîne peut prendre une conformation particulière. Il a été constaté deux types d'arrangements qui constituent la structure secondaire la structure plissée ou configuration , et la structure en hélice ou configuration .

Dans la structure plissée, deux chaînes se placent parallèlement en faisant correspondre les groupes NH d'un peptide avec les groupes CO de l'autre. Il se forme ainsi des liaisons hydrogènes qui assurent une bonne rigidité au système formé.

Dans le structure en hélice, une seule chaîne s'enroule en hélice afin de permettre des liaisons hydrogènes en acides aminés successifs. On trouve en moyenne, 3,6 acides aminés par enroulement avec une période de 5,4 Å.

Enfin une structure tertiaire est formée, impliquant les ponts disulfure, des liaison hydrogènes, des forces de London, des attraction et répulsion électrostatiques et enfin des effets micellaires. Le polymères adopte une conformation mettant en exposition externes ses groupes polaires et minimise l'exposition des groupes apolaires. Cela rend l'ensemble soluble en milieu aqueux. Deux superstructures ont été observées la forme globulaire ( protéine de transport ou catalyse) et la forme en superhélice.