Acide aminé protéinogène

Un acide aminé protéinogène est un acide aminé incorporé dans les protéines lors de la traduction de l'ARN messager par les ribosomes^[1]. Il existe en tout 22 acides aminés protéinogènes, ce qualificatif étant forgé à partir de racines grecques signifiant précisément « qui donne naissance aux protéines ». Parmi ceux-ci, 20 acides aminés, dits acides aminés standards, sont codés directement par un codon de l'ADN nucléaire. Deux autres acides aminés protéinogènes sont codés indirectement par des codons-stop qui sont recodés en codons d'acides aminés en présence de séquences d'insertion particulières, appelées élément SECIS pour la sélénocystéine et élément PYLIS pour la pyrrolysine. La pyrrolysine n'est présente que dans les protéines de certaines archées méthanogènes, de sorte que les eucaryotes et les bactéries n'utilisent que 21 acides aminés protéinogènes.

Structure de la N-formylméthionine, parfois considérée comme un 23^e acide aminé protéinogène bien qu'elle ait une chaîne latérale identique à celle de la méthionine.
Elle amorce la biosynthèse des protéines chez les procaryotes et dans les mitochondries et les chloroplastes des eucaryotes, mais pas dans le cytosol de ces derniers.
Elle dérive de la méthionine par adjonction d'un groupe aldéhyde sur l'atome d'azote de l'amine primaire

Bien qu'elle présente une chaîne latérale identique à celle de la méthionine, la N-formylméthionine est parfois considérée comme un 23^e acide aminé protéinogène car, chez les procaryotes ainsi que dans les mitochondries et les chloroplastes des eucaryotes, c'est elle qui est incorporée par les ribosomes à la place de la méthionine au début des chaînes polypeptidiques lors de la traduction de l'ARN messager ; ce résidu est souvent éliminé par la suite par modification post-traductionnelle de la protéine néoformée^[2].

Diagramme organisant les 20 acides aminés protéinogènes standard de la biochimie, hormis la pyrrolysine et la sélénocystéine.

Le corps humain est capable de synthétiser 12 des 21 acides aminés protéinogènes qu'il utilise, tandis que neuf d'entre eux, dits acides aminés essentiels, doivent lui être apportés par l'alimentation : histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane et valine.

En revanche, les acides aminés non protéinogènes peuvent être incorporés dans les protéines au cours de modifications post-traductionnelles, comme le γ-carboxyglutamate ou l'hydroxyproline, voire être totalement absents des protéines, comme l'acide γ-aminobutyrique ou la DOPA.

Structure des acides aminés protéinogènes

La planche ci-dessous présente la structure non ionisée des 22 acides aminés protéinogènes ; en solution aqueuse à pH physiologique, les fonctions carboxyle –COOH et amine –NH₂ sont ionisées en carboxylate –COO⁻ et ammonium –NH₃⁺, les espèces chimiques correspondantes sont des zwitterions.

L-Alanine L-Arginine L-Asparagine L-Aspartate L-Cystéine L-Glutamate L-Glutamine Glycine L-Histidine L-Isoleucine L-Leucine L-Lysine L-Méthionine L-Phénylalanine L-Proline L-Pyrrolysine     L-Sélénocystéine L-Sérine L-Thréonine L-Tryptophane L-Tyrosine L-Valine

Structure des 22 acides aminés protéinogènes. La pyrrolysine et la sélénocystéine (ci-dessus grisées) sont spécifiques à certaines protéines :     - la pyrrolysine ne se rencontre que chez certaines archées méthanogènes,     - la sélénocystéine est présente également chez les eucaryotes mais a priori dans quelques dizaines d'enzymes de la famille des oxydoréductases. Les 20 autres acides aminés, dits standards, sont en revanche universellement distribués chez tous les êtres vivants connus.

Propriétés chimiques

Le tableau ci-dessous résume les principales propriétés chimiques des acides aminés protéinogènes et de leur chaîne latérale. Les valeurs proposées pour le point isoélectrique et les constantes d'acidité sont celles de l'université de Calgary^[3], en Alberta.

Acide aminé	Abrév.		Masse (Da)	pI	Rayon de van der Waals	pKa1 (α-COOH)	pKa2 (α-+NH3)	Chaîne latérale
								pKR	Structure	Nature
Alanine	A	Ala	89,09404	6,00	67	2,34	9,60		–CH3	Hydrophobe
Arginine	R	Arg	174,20274	10,76	148	2,17	9,04	12,48	–CH2CH2CH2–NHC(=NH)NH2	Polaire, très basique
Asparagine	N	Asn	132,11904	5,41	96	2,02	8,80		–CH2CONH2	Polaire
Aspartate	D	Asp	133,10384	2,77	91	1,88	9,60	3,65	–CH2COOH	Polaire, acide
Cystéine	C	Cys	121,15404	5,07	86	1,96	10,70	8,33	–CH2SH	Hydrophobe[4], faiblement acide
Glutamate	E	Glu	147,13074	3,22	109	2,19	9,67	4,25	–CH2CH2COOH	Polaire, acide
Glutamine	Q	Gln	146,14594	5,65	114	2,17	9,13		–CH2CH2CONH2	Polaire
Glycine	G	Gly	75,06714	5,97	48	2,34	9,60		–H	Hydrophobe
Histidine	H	His	155,15634	7,59	118	1,82	9,17	6,00	–CH2-C3H3N2	Polaire, faiblement basique, aromatique
Isoleucine	I	Ile	131,17464	6,02	124	2,36	9,60		–CH(CH3)CH2CH3	Hydrophobe, aliphatique
Leucine	L	Leu	131,17464	5,98	124	2,36	9,60		–CH2CH(CH3)2	Hydrophobe, aliphatique
Lysine	K	Lys	146,18934	9,74	135	2,18	8,95	10,53	–CH2CH2CH2CH2NH2	Polaire, basique
Méthionine	M	Met	149,20784	5,74	124	2,28	9,21		–CH2CH2–S–CH3	Hydrophobe
Phénylalanine	F	Phe	165,19184	5,48	135	1,83	9,13		–CH2–C6H5	Hydrophobe, aromatique
Proline	P	Pro	115,13194	6,30	90	1,99	10,60		–CH2CH2CH2-	Hydrophobe
Pyrrolysine	O	Pyl	255,31						–CH2CH2CH2CH2NHCO–C4H5N–CH3	Polaire, faiblement basique
Sélénocystéine	U	Sec	168,053	5,47				5,73	–CH2SeH
Sérine	S	Ser	105,09344	5,68	73	2,21	9,15	5,68	–CH2OH	Polaire, faiblement acide
Thréonine	T	Thr	119,12034	5,60	93	2,09	9,10	5,53	–CH(OH)CH3	Polaire, faiblement acide
Tryptophane	W	Trp	204,22844	5,89	163	2,83	9,39	5,885	–CH2–C8H6N	Polaire, faiblement basique, aromatique
Tyrosine	Y	Tyr	181,19124	5,66	141	2,20	9,11	10,07	–CH2–C6H4OH	Polaire, faiblement acide, aromatique
Valine	V	Val	117,14784	5,96	105	2,32	9,62		–CH(CH3)2	Hydrophobe, aliphatique

La valeur du pK_R ici donnée correspond à l'acide aminé libre. Cette valeur varie sensiblement pour les résidus d'acides aminés présents dans les protéines, comme l'indique le tableau ci-dessous :

Acide aminé	Abrév.		Libre	Résidu
Aspartate	D	Asp	3,65	3,7 – 4,0
Arginine	R	Arg	12,48	–
Glutamate	E	Glu	4,25	4,2 – 4,5
Cystéine	C	Cys	8,33	8,8 – 9,1
Histidine	H	His	6,00	6,7 – 7,1
Lysine	K	Lys	10,53	9,3 – 9,5
Tyrosine	Y	Tyr	10,07	9,7 – 10,1

Expression génétique

Le tableau ci-dessous présente les codons d'ARN messager correspondant à chacun des 22 acides aminés protéinogènes. Les valeurs relatives à l'abondance relative des acides aminés dans les protéines varient légèrement suivant les espèces et les bases de données utilisées. Elles sont données ici à titre indicatif.

Acide aminé	Abrév.		Codon(s) d'ARN messager	Occurrence dans les protéines[5]	Occurrence chez les vertébrés[6]	Essentiel chez l'homme
Alanine	A	Ala	GCU, GCC, GCA, GCG	9,0 %	7,4 %	Non
Arginine	R	Arg	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	4,7 %	4,2 %	Selon les cas
Asparagine	N	Asn	AAU, AAC	4,4 %	4,4 %	Non
Aspartate	D	Asp	GAU, GAC	5,5 %	5,9 %	Non
Cystéine	C	Cys	UGU, UGC	2,8 %	3,3 %	Selon les cas
Glutamate	E	Glu	GAA, GAG	6,2 %	5,8 %	Selon les cas
Glutamine	Q	Gln	CAA, CAG	3,9 %	3,7 %	Non
Glycine	G	Gly	GGU, GGC, GGA, GGG	7,5 %	7,4 %	Non
Histidine	H	His	CAU, CAC	2,1 %	2,9 %	Oui
Isoleucine	I	Ile	AUU, AUC, AUA	4,6 %	3,8 %	Oui
Leucine	L	Leu	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG	7,5 %	7,6 %	Oui
Lysine	K	Lys	AAA, AAG	7,0 %	7,2 %	Oui
Méthionine	M	Met	AUG	1,7 %	1,8 %	Oui
Phénylalanine	F	Phe	UUU, UUC	3,5 %	4,0 %	Oui
Proline	P	Pro	CCU, CCC, CCA, CCG	4,6 %	5,0 %	Non
Pyrrolysine	O	Pyl	UAG avec élément PYLIS	—	—	—
Sélénocystéine	U	Sel	UGA avec élément SECIS	—	—	Non
Sérine	S	Ser	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC	7,1 %	8,1 %	Non
Thréonine	T	Thr	ACU, ACC, ACA, ACG	6,0 %	6,2 %	Oui
Tryptophane	W	Trp	UGG	1,1 %	1,3 %	Oui
Tyrosine	Y	Tyr	UAU, UAC	3,5 %	3,3 %	Selon les cas
Valine	V	Val	GUU, GUC, GUA, GUG	6,9 %	6,8 %	Oui
Codon-stop	–	Term	UAA, UAG, UGA	—	—	—

Fonctions biochimiques

Le tableau ci-dessous propose une brève description des 22 acides aminés classés en fonction des codes et abréviations spécifiés par le comité de nomenclature commun IUPAC - IUBMB :

Abrév.		Structure	Description sommaire
A	Ala		Alanine — Abondante et polyvalente. Plus rigide que la glycine, mais assez petite pour ne présenter qu'un encombrement stérique limité pour la conformation de la protéine. Ses résidus peuvent se trouver aussi bien dans le cœur hydrophobe qu'à la surface hydrophile des protéines.
B	Asx		Asparagine ou aspartate.
C	Cys		Cystéine — L'atome de soufre de la chaîne latérale se lie facilement aux ions métalliques. En milieu réducteur, deux résidus de cystéine peuvent former un pont disulfure en donnant une molécule de cystine, ce qui stabilise la structure tertiaire. On trouve de tels ponts disulfure dans des protéines agissant dans les environnements extrêmes, comme les enzymes digestives telles que la pepsine et la chymotrypsine, ainsi que des protéines structurelles telles que la kératine. On trouve également de tels ponts disulfure dans les protéines trop petites pour maintenir leur état natif sans leur assistance, comme l'insuline, ou dans les protéines qui ne possèdent pas véritablement de cœur hydrophobe, comme la ribonucléase A.
D	Asp		Aspartate — Semblable au glutamate, sa chaîne latérale porte un groupe hydrophile acide fortement chargé négativement. Cet acide aminé est généralement situé sur la surface de la protéine, ce qui contribue à sa solubilité dans l'eau. Ce résidu se lie à des molécules ou à des ions chargés positivement, ce qui est souvent mis à profit par les enzymes pour se lier à des ions métalliques. Lorsqu'il est situé à l'intérieur de la protéine, l'aspartate forme généralement une liaison saline avec un résidu d'arginine ou de lysine.
E	Glu		Glutamate — Semblable à l'aspartate, mais avec une chaîne latérale légèrement plus longue et flexible.
F	Phe		Phénylalanine — Essentielle pour l'homme, elle présente un groupe aromatique phényle à l'extrémité de sa chaîne latérale. Il s'agit d'un résidu volumineux et hydrophobe, plutôt présent à l'intérieur des protéines. La phénylalanine peut être convertie en tyrosine par hydroxylation.
G	Gly		Glycine — Avec une chaîne latérale réduite à un atome d'hydrogène, c'est le plus simple et le plus petit des acides aminés, et le seul acide aminé protéinogène non chiral. Il ajoute de la flexibilité aux chaînes polypeptidiques. Il peut s'insérer dans les espaces les plus étroits, ce qui permet notamment les structures compactes observées par exemple dans les triples hélices du collagène.
H	His		Histidine — Essentielle pour l'homme, elle présente un groupe imidazole situé à l'extrémité de sa chaîne latérale et dont l'atome d'azote est protoné même en milieu légèrement acide. Ce résidu intervient dans de nombreuses protéines comme mécanisme régulateur pour en modifier la conformation et le fonctionnement en milieu acide tel qu'observé dans les endosomes et les lysosomes, induisant le changement conformationnel de certaines enzymes. Cet acide aminé demeure cependant relativement rare dans les protéines.
I	Ile		Isoleucine — Essentielle pour l'homme, elle présente une chaîne latérale aliphatique. Elle forme des résidus hydrophobes qui jouent un rôle important dans le repliement des protéines et tendent à occuper l'intérieur de leur structure tridimensionnelle. L'isoleucine contient un second carbone asymétrique en position β. Seul l'isomère (2S, 3S) est présent dans les protéines.
J	Xle		Leucine ou isoleucine.
K	Lys		Lysine — Essentielle pour l'homme, elle est fonctionnellement semblable à l'arginine. Sa longue chaîne latérale flexible est terminée par une charge électrique positive, ce qui convient à la fixation de molécules chargées négativement. C'est par exemple le cas des protéines qui se lient aux acides nucléiques que sont l'ADN et l'ARN. Les résidus de lysine tendent à se trouver à la surface des protéines ; lorsqu'ils se trouvent à l'intérieur, ils forment généralement des liaisons salines avec des résidus d'aspartate et de glutamate. Il existe de nombreux dérivés de la lysine formés au cours de modifications post-traductionnelles des protéines.
L	Leu		Leucine — Essentielle pour l'homme, elle présente une chaîne latérale aliphatique. Elle forme des résidus hydrophobes qui jouent un rôle important dans le repliement des protéines et tendent à occuper l'intérieur de leur structure tridimensionnelle.
M	Met		Méthionine — Essentiel pour l'homme, c'est toujours le premier acide aminé incorporé dans les protéines, dont il est parfois retiré lors de modifications post-traductionnelles. Sa chaîne latérale contient un atome de soufre portant un groupe méthyle qui peut être mobilisé dans certaines réactions métaboliques.
N	Asn		Asparagine — Semblable à l'aspartate, mais avec un groupe amide –CONH2 à la place du carboxyle –COOH terminal de la chaîne latérale.
O	Pyl		Pyrrolysine — Apparentée à la lysine mais avec un groupe azoline à l'extrémité de sa chaîne latérale, elle n'est présente que dans certaines enzymes liées au métabolisme méthanogène de certaines archées. Elle est codée indirectement par le codon-stop UAG Ambre en présence d'un élément PYLIS en aval de ce codon.
P	Pro		Proline — Avec leur amine secondaire intracyclique, les résidus de proline sont rigides et présentent une géométrie différente de celle de tous les autres acides aminés protéinogènes. Pour cette raison, la proline termine généralement les structures secondaires telles que les hélices α et les feuillets β. Elle est abondante dans le collagène sous forme d'hydroxyproline, obtenue par modification post-traductionnelle.
Q	Gln		Glutamine — Semblable au glutamate, mais avec un groupe amide –CONH2 à la place du carboxyle –COOH terminal de la chaîne latérale.
R	Arg		Arginine — Fonctionnellement semblable à la lysine, elle présente une longue chaîne latérale flexible terminée par un groupe guanidine portant une charge électrique positive, ce qui convient à la fixation de molécules chargées négativement. C'est par exemple le cas des protéines qui se lient aux acides nucléiques que sont l'ADN et l'ARN. Les résidus d'arginine tendent à se trouver à la surface des protéines ; lorsqu'ils se trouvent à l'intérieur, ils forment généralement des liaisons salines avec des résidus d'aspartate et de glutamate.
S	Ser		Sérine — Fonctionnellement semblable à la thréonine, elle présente une petite chaîne latérale terminée par un groupe hydroxyle –OH, dont l'atome d'hydrogène est labile, de sorte que ce résidu intervient souvent comme donneur d'hydrogène dans les enzymes. La sérine est très hydrophile et se trouve par conséquent préférentiellement à la surface des protéines solubles.
T	Thr		Thréonine — Essentiel pour l'homme, cet acide aminé présente une chaîne latérale terminée par un groupe hydroxyle –OH, dont l'atome d'hydrogène est labile, de sorte que ce résidu intervient souvent comme donneur d'hydrogène dans les enzymes. La thréonine est très hydrophile et se trouve par conséquent préférentiellement à la surface des protéines solubles. Elle contient un second carbone asymétrique en position β. Seul l'isomère (2S, 3R) est présent dans les protéines.
U	Sec		Sélénocystéine — Analogue structurel de la cystéine dans lequel un atome de sélénium remplace l'atome de soufre, la sélénocystéine présente un pKa et un potentiel d'oxydoréduction plus faibles que ceux de la cystéine, ce qui convient bien aux protéines antioxydantes[7]
V	Val		Valine — Essentielle pour l'homme, elle présente une chaîne latérale aliphatique. Il forme des résidus hydrophobes qui jouent un rôle important dans le repliement des protéines et tendent à occuper l'intérieur de leur structure tridimensionnelle.
W	Trp		Tryptophane — Essentielle pour l'homme, elle présente un groupe aromatique indole à l'extrémité de sa chaîne latérale. Il s'agit d'un résidu volumineux et hydrophobe, plutôt présent à l'intérieur des protéines. Ses résidus présentent une fluorescence solvatochrome. C'est un précurseur de la sérotonine.
X	Xaa		Indique la présence d'un acide aminé indéterminé.
Y	Tyr		Tyrosine — Dérivée de la phénylalanine par hydroxylation, la tyrosine présente un groupe aromatique phénol à l'extrémité de sa chaîne latérale. Il s'agit d'un résidu volumineux. C'est un précurseur de la mélanine, de l'adrénaline et des hormones thyroïdiennes. Elle est également fluorescente, bien que cette fluorescence soit généralement interrompue par transfert d'énergie à des résidus de tryptophane.
Z	Glx		Glutamate ou glutamine.

Origine évolutive

La plupart des bactéries sont capables de synthétiser les vingt acides aminés protéinogènes, mais elles le font suivant deux types de méthodes. Une première série d'acides aminés « primaires » est créée à partir de composés inorganiques. Les acides aminés « secondaires » sont formés à partir des « primaires » qui leur servent d'éléments précurseurs^[8].

Les conversions connues entre acides aminés sont les suivantes^[9] :

Précurseur	Composé secondaire
Glu	Gln, Pro, Arg
Asp	Asn, Thr, Lys
Gln	His
Thr	Ile, Met
Ser	Trp, Cys
Val	Leu
Phe	Tyr

Les acides aminés primaires sont moins d'une dizaine. Ce sont eux qui se forment spontanément dans les expériences de chimie prébiotiques, ou que l'on retrouve dans les météorites carbonées^[8]. Ces éléments suggèrent qu'ils sont les premiers apparus, et que les premières protéines n'étaient formées que de ceux-ci^[8]. Le reste de la série ne relève alors pas de la chimie pré-biotique, mais sont le produit des métabolismes primitifs.