MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR & DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
THESE DE DOCTORAT
Présentée par :
Melle : LAZREG Abbassia
Spécialité : Chimie
Option : Chimie physique et théorique, modélisation moléculaire
Intitulé
Calculs théoriques de quelques acides
aminés et étude de l’interaction entre un
cation et ces biomolécules
Soutenue le 22-02-2018
Devant le jury composé de :
Président: Mme Rahal-Sekkal Majda, Prof., UDL Sidi Bel-Abbès
Directeur de thèse: Mme Taleb-Mokhtari Ilham, Prof., UDL, Sidi Bel-Abbès
Examinateurs: Mr AbdelHakim Benosman,
Prof., Université de Tlemcen
Mme Asmaa Mostefai, MCA., Université de Saida
UNIVERSITE DJILLALI LIABES FACULTE DES SCIENCES EXACTES
abbés.
J’aimerais remercier, en quelques lignes, toutes les personnes qui m’ont permis de mener à bout ce travail.
J’adresse tout particulièrement mes remerciements à Madame le Professeur I.N. TALEB-MOKHTARI, mon directeur de thèse pour avoir
accepté de m’encadrer ainsi que pour sa disponibilité. Je tiens à lui rendre un
respectueux hommage pour ses encouragements, sa confiance, ses conseils et l’aide qu’elle m’a apporté tout au long de ce travail et sa patience.
J’exprime ma profonde et respectueuse gratitude au Professeure Madame
M. RAHAL-SEKKAL professeure à l’université de Sidi Bel Abbès, qui m'a fait l'honneur d’accepter de présider le jury de cette thèse.
Je tiens à adresser mes vifs remerciements et l’expression de mon profond respect à Monsieur le Professeur AbdelHakim BENOSMAN professeur à l’université de Tlemcen , à Madame Asmaa MOSTEFAI Professeure à
l’université de Saïda pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner mon
travail et de participer au jury de cette thèse.
Je souhaite également remercier chacune des personnes avec laquelle j’ai eu le plaisir de travailler tout au long de cette thèse et chacun des membres du laboratoire de Microscopie, microanalyse de la matière et spectroscopie
moléculaire qui ont contribués de prés ou de loin à la réalisation de ce mémoire.
Je dédie ce travail à
La mémoire de mon père.
Ma très chère mère pour l'amour, la tendresse et le soutient qu'elle
m'a apportés, grâce à elle je suis arrivée à devenir ce que je suis
Tous les autres membres de ma famille
Ceux qui me sont chers
INTRODUCTION GENERALE 1 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES MOLECULES BIOLOGIQUES 5
Introduction 5
I.1-Les protéines 6
I.1.1- Définition 6
I.1.2- La liaison peptidique 6
I.1.3- La structure primaire 7
I.1.4- La structure secondaire 7
I.1.5- La structure tertiaire 8
I.1.6- La structure quaternaire 8
I.2-Les lipides 9
I.3-Les acides nucléiques 9
I.3.1- Définition 10
I.3.2- Structure des bases pyrimidiques et puriques 11
I.3.3- Structure d’un brin d’ADN et d’un brin d’ARN 11
I.4-Les acides aminés 12
I.4.1-Définition 12
I.4.2-Nomenclature des acides aminés 13
I.4.3-Les acides aminés essentiels 13
I.4.4-Les acides aminés non essentiels 13
I.4.5-Classification des acides aminés 15
I.4.5.1-Classification des acides selon la structure de la chaîne latérale R 15
I.4.5.2- Classification des acides selon la polarité de la chaine latérale R 15
Ø Les acides aminés hydrophobes ou apolaires 16
Ø Les acides aminés polaires neutres 16
Ø Les acides aminés polaires ionisables 16
· Les acides aminés polaires acides 16
· Les acides aminés polaires basiques 17
I.4.6-Propriétés physiques des acides aminés 17
I.4.6.1-La chiralité 17
I.4.6.2 -Absorption et fluorescence . 18
I.4.6.3 -La solubilité et la volatilité 19
I.5-Le rôle biologique des acides aminés 19
I.6-Domaine d’utilisation des acides aminés 20
I.7-Intérêt du choix des molécules d’acides aminés étudiées et leurs applications 24
BIBLIOGRAPHIE 28
Partie 1 :Calculs théoriques de quelques acides aminés
CHAPITRE II : ASPECTS THEORIQUES ET METHODOLOGIQUES 30
II.1- La modélisation moléculaire 30
II.2- Les méthodes de chimie quantique 31
II.3- Equation de Schrödinger 31
II.4- Modèles et approximations utilisés en chimie quantique 33
II.4.1- L’approximation de Born-Oppenheimer ….……… 33
II.4.2- L’Approximation des Orbitales Moléculaires 34
II.4.3- La méthode CLOA 34
II.5- Les méthodes ab initio 35
II.5.1- La Méthode de Hartree-Fock (HF) 35
II.5.1.1- La méthode de Hartree-Fock restreinte (RHF) 36
II.5.2- Méthode post-Hartree-Fock 37
II.5.2.1- Théorie de la perturbation de Møller-Plesset 37
II.5.2.2- Utilisation des méthodes de perturbation Møller-Plesset 38
II.5.2.3- Méthode de Roothaan et hall 39
II.6- La corrélation électronique 39
II.7- Théorie de la fonctionnelle de la densité 39
II.7.1- Fondements de la théorie de la fonctionnelle de la densité 39
II.7.2- Modèle de Thomas-Fermi 40
II.7.3- Théorèmes de Hohenberg et Kohn 40
II.7.4- Approche de Kohn et Sham 41
II.7.4.1- L'approximation de la densité locale ou LDA 41
II.7.4.2- L'approximation du gradient généralisé ou GGA 42
II.7.5- Les fonctionnelles hybrides 42
II.7.6- Les différentes bases de calcul 43
II.8- Application des calculs ab-initio aux molécules biologiques 44
Conclusion 45
II.9- Les méthodes de la mécanique moléculaire 45
Introduction 45
II.9.1- Principe de la méthode 45
II.9.2-Les différents champs de forces appliqués aux biomolécules 46
II.9.3- Les énergies en mécanique moléculaire 49
II.9.4- Calcul des fréquences de vibration 52
II.9.5- Conclusion 52
II.10- La dynamique moléculaire 52
II.10.1- Principe des méthodes de dynamique moléculaire 53
II.10.2-Un calcul de dynamique moléculaire 53
II.10.3- Conclusion 54
II.11- La dynamique harmonique 54
Conclusion 55
II.12-Approches théoriques de la réactivité chimique.. 55
Introduction 55
II.12.1-Théorie de d’état de transition (TST) 56
II.12.2-Théorie des orbitales moléculaires frontières (FMO) 56
II.12.3-Principe HSAB 56
II.12.3.1-Concept chimiques de réactivité résultant du principe HSAB 57
II.12.3.1.1-Potentiel chimique électronique μ 57
II.12.3.1.2-Dureté (Hardness) absolue 59
II.12.3.1.3-Mollesse (Softness) absolue 60
II.12.3.2-Principe de la dureté maximale MHP (Maximum Hardness Principle) 60
II.12.4-Concept chimiques et indices de réactivité dérivant de la DFT 60
II.12.4.1-Concept et indices globaux de réactivité 60
II.12.4.1-1. Electronégativité et potentiel chimique électronique 61
II.12.4.1.2-Dureté et mollesse chimiques 61
II.12.4.1.3-Electrophilie globale 62
II.12.4.1.4- Indice de nucléophilie globale 63
II.12.4.2-Indices locaux de réactivité dérivant de la DFT conceptuelle 63
II.12.4.2.1-Fonction de Fukui 63
II.12.4.2.2- Mollesse locales. 64
II.12.4.2.4-Nucléophilie locale 65
II.12.4.3- Les descripteurs duals 65
BIBLIOGRAPHIE 66
Chapitre III : Matériels et Méthodes de la modélisation moléculaire 71
Introduction 71
III.1- Minimisation de l’énergie 71
III.2- Surface d’énergie potentielle 71
III.3- Analyse conformationnelle 72
III.4- Algorithmes de minimisation 73
Ø Méthode de minimisation "steepest descent"SD 74
Ø Méthode du recuit simulé 74
Ø Méthode du simplex 74
Ø La méthode du gradient conjugué 75
Ø La méthode Newton-Raphson 75
III.5- Logiciels utilisés 75
III.5.1-Logiciel Gaussian 76
III.5.1.1-Définition 76
III.5.1.2- Méthodes de calculs accessibles sur Gaussian 76
III.5.2- Gauss View 77
III.5.3- Logiciel VEDA4 Vibrational Energy Distribution Analysis (VEDA). 77
III.5.3.1-Définition 77
III.5.3.2-Applications du logiciel 77
III.6- Conclusion 78
BIBLIOGRAPHIE 79
Chapitre IV : Techniques expérimentales 81
Introduction 81
IV.1-La diffraction des rayons X 81
IV.2. La diffusion des neutrons 82
IV.3-Les méthodes microscopiques 82
IV.4- La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) 83
IV.5- La spectroscopie de masse 83
IV.6-Les méthodes spectroscopiques Infra Rouge et Raman 84
Introduction 84
IV.6.1-La spectroscopie infrarouge 84
IV.6.1.1- Principe de la spectroscopie infrarouge 85
IV.6. 1.2-Instrumentation 86
IV.6.2-La spectroscopie Raman 86
IV.6.2.1- Le mécanisme de l'effet Raman 87
IV.6.2.2-Spectre Raman 88
IV.6.2.3- Appareillage 88
IV.6.3-Spectre RAMAN et spectre d’absorption infrarouge 88
IV.7-La spectroscopie vibrationnelle appliquée aux biomolécules 89
BIBLIOGRAPHIE 91
CHAPITRE V : Etude des propriétés structurales, électroniques et thermodynamiques de quelques acides aminés
Introduction 92
V.1- Détails des calculs 92
V.2-Propriétés structurales des molécules étudiées 96
V.3.1- Energies minimales 99
V.3.2- Etude des orbitales moléculaires 100
V.4- Distribution des charges atomiques des molécules étudiées 103
V.5-Calcul et attribution des modes de vibration des molécules étudiées 106
Ø les vibrations − 116 Ø les vibrations − 117 Ø les vibrations − 117 Ø les vibrations = 118 Ø les vibrations − 118 Ø les vibrations − 119 Ø les vibrations 119 Ø les vibrations ( − ) 119 Ø les vibrations ( − ) 120 V.6-Conclusion 120 BIBLIOGRAPHIE 122
Partie 2 :Interaction entre un cation métallique et les acides aminés
CHAPITRE VI : Etude de l’interaction entre l’ion Zinc et les acides aminés étudiés 125
INTRODUCTION 125
VI.1- Généralités sur les complexes de coordination 125
VI.1.1- Définition d’un ligand 125
VI.1.2- Définition d’un complexe 125
VI.1.3-La liaison dans les complexes de coordination 126
VI.1.4- Facteurs influençant la stabilité d’un complexe 126
VI.1.4.1- La stabilité des complexes 126
VI.1.4.2- classification des cations metalliques 127
VI.1.5- Application des complexes 128
VI .1.5.1-Les complexes métalliques en catalyse 128
VI .1.5.2-Les complexes en chimie des solutions 128
VI .1.5.3-Les complexes en médecin 128
VI.2-Généralités sur les métaux de transition 128
Introduction 128
VI.2.1-Le Zinc : 129
VI.2.1.1-Les Caractéristiques du Zinc 129
VI.2.1.2-Le rôle biologique du Zinc 130
VI.2.1.3- Le zinc et la santé 130
VI.2.2-Les complexes métalliques d’acides aminés 131
VI.3-Etude théorique de l’interaction de l’ion Zn(II) avec les acides aminés 131
Introduction 131
VI. 3.1 - Calcul des géométries moléculaires 132
VI. 3.2 - Analyse structurale 132
VI. 3.3- Calcul des énergies des orbitales moléculaires HOMO-LUMO 138
VI.3.4 -Distribution des charges atomiques dans les molécules 143
VI .4 - Caractérisation des complexes par les méthodes spectroscopiques 146
Ø Spectre IR des complexes 146
VI.5 – Conclusion 152
BIBLIOGRAPHIE 153
CHAPITRE VII : Etude spectroscopique de deux édulcorants de synthèse : l’Aspartame et le Néotame.
156
Introduction 156
VII. 1-Généralités sur les édulcorants 156
VII.1. 1- Définition d’un édulcorant 156
VII.1. 2- L’indice glycémique 157
VII. 2- Différents types d’édulcorants 157
Ø Les édulcorants naturels 157
Ø Les édulcorants nutritifs ou de charge 157
Ø Les édulcorants intenses ou de synthèse 157
VII. 3- Structure de l’Aspartame et le Neotame 158
VII.4- Discussion des résultats ( attribution des fréquences ) des deux molécules de dipeptides
160
VII.4.1- Etude géométrique 160
VII.4.2- Analyse Vibrationnelle 163
VII.5- Conclusion 176
BIBLIOGRAPHIE 177
Chapitre I
Figure –I.1- : Stéréoisomérie d'un acide aminé : convention de Fischer 5
Figure –I.2- : Liaison peptidique entre deux acides aminés 6 Figure –I.3- : Formule développée d’une protéine de n acides amines. 6 Figure –I.4- : définitions des angles dièdres de la chaîne principale 7 Figure –I.5- : Structure Primaire d’une protéine 7
Figure-I.6- : Structure des protéines 9
Figure –I.7- : Exemple de la structure chimique de deux acides gras 10
Figure - I.8-: Formation du nucléotide 11
Figure - I.9- : Structure des bases pyrimidiques et puriques 11 Figure - I.10-: Structure d’un brin d’ADN et d’un brin d’ARN 12 Figure - I.11- : Structure générale des acides aminés 13 Figure - I.12-: Configuration des acides − é et − é 13 Figure - I.13- : Configurations spatiales des acides − é 19 Figure - I.14- : Spectres d'absorption des acides − é aromatiques dans
l'ultra- Violet
21 Figure - I.15- : l’hydrolyse des liaisons amide dans le peptide 39 Figure - I.16-: Structure de la Leupeptine 40 Figure- I.17- : Structure de la Plasmepsin I 41 Figure- I.18- : Structure des Inhibiteurs Microbiens de la Protéase Alcaline 42 Chapitre II
Figure-II.1- : Principales méthodes de calcul d’énergie utilisées en simulation
moléculaire
76 Figure-II.2- : Variation de l’énergie(E) du système en fonction du nombre total
d’électrons (N)
93 Figure -II.3- : Variation des potentiels chimiques des deux espèces A et B lors
d’une réaction
94
Chapitre III
Figure -III.1- : Caractérisations du point stationnaire 110 Chapitre IV
Figure -IV.1- : Interférences constructives 124 Figure -IV.2- : chemin optique des rayons (loi de Bragg) 124 Figure -IV.3- : diffraction des rayons X 125 Figure -IV.4- : Domaines de l’IR dans le spectre électromagnétique 130
Figure -IV.5- : Modes de vibrations 131
Figure -IV.6-: Absorption infrarouge 132
Figure -IV.7- : Principe de l’effet Raman 133 Figure -IV.8- : Diagramme d’énergie montrant l’origine des raies 134 Figure -IV.9-: Schéma de fonctionnement d’un spectromètre Raman classique 135 Figure -IV.10-: Schéma synoptique d’un spectromètre FT Raman 136 Chapitre V
Figure- V.1-: les structures géométriques de la L-Serine, L-Cystéine et acide
L-Aspartique en 3D optimisées par Gaussian03
144 Figure-V.2-: Illustration of rotating the four internal single-bond axes of L-Serine 145
(R= CH2–OH), L-Cysteine (R= CH2–SH) and L-Aspartic acid (R=
CH2–COOH)
Figure-V.3-: les orbitales moléculaires HOMO/LUMO de (Ser, Cys, Asp) calculés
par Gaussian03
154 Figure-V.4- : Diagramme énergétiques des trois acides aminés étudiés. 155 Figure-V.5- : distribution des charges NPA pour la Serine 158 Figure-V.6- : distribution des charges NPA pour la Cysteine 158 Figure-V.7- : distribution des charges NPA pour l’acide Aspartique 158 Figure-V.8- : Les spectres IR et Raman calculés de la L-Sérine en B3LYP /
aug-cc-pVDZ
167 Figure-V.9-: Les spectres IR et Raman de la L-Cystéine calculés en
B3LYP/aug-cc-pVDZ
168 Figure-V.10 - : Le spectre IR calculé de l’acide L-Aspartique en B3LYP /
aug-cc-pVDZ
168 Figure-V.11-:Le spectre Raman calculé de l’acide L-Aspartique en
B3LYP/aug-cc-pVDZ
169
Chapitre-VI
Figure-VI.1- : Exemples des complexes polyatomiques 180
Figure-VI.2-: Exemples de cluster 180
Figure-VI.3- : Les chélates à 4,5 et 6 chaînons 181 Figure-VI.4-: Structures des formes cationisées les plus stables des trois acides
aminés étudiés.
196 Figure-VI.5- : Illustration des orbitales moléculaires HOMO et LUMO 201 Figure-VI.6- : Énergie des orbitales moléculaires frontières de Ser- /a
et Ser- /b
203 Figure -VI.7- : Énergie des orbitales moléculaires frontières de Cyst- /a
et Cyst- /b
204 Figure-VI.8- : Énergie des orbitales moléculaires frontières de Acid asp- /a
et Acid asp - /b
204 Figure -VI.9-:Spectres simulés IR de la − / et − / 210 Figure -VI.10-:Spectres simulés IR de la − / et − / 210 Figure -VI.11-:Spectres simulés IR de la − / et − / 213 Chapitre VII
Figure -VII.1- : Exemple de boissons contenant des édulcorants 220 Figure-VII.2- : Structure de l’Aspartame et du Néotame 224 Figure-VII.3- : Représentation de Cram de l’Aspartame 226 Figure-VII.4- : Formule semi-développée du Néotame 226 Figure-VII.5- Spectres IR et Raman Simulés de l’Aspartame 231 Figure-VII.6- : Spectres IR et RAMAN de l’Aspartame issu de la base SDBS 232 Figure-VII.7- : Spectres IR et Raman Simulés du Néotame 232
Chapitre I
Tableau -I.1- : les 20 acides aminés naturels avec l’abréviation biochimique en 3 lettres,
le code et la formule semi-développée correspondante pour chacun
15
Tableau-I.2- : Classification des 20 acides aminés 17 Tableau -I.3 - : Pouvoir rotatoire de quelques acides aminés naturels 20
Chapitre V
Tableau-V.1-: Les principales longueurs de liaisons en A° de C3H7N1O3, C3H7N1O2S1et
C4H7N1O4optimisées par HF/ Aug-cc-pVDZ et B3LYP/ Aug-cc-pVDZ
149
Tableau-V.2-: Les principaux angles en degrés (°)de C3H7N1O3, C3H7N1O2S1et C4H7N1O4
optimisés par HF/ Aug-cc-pVDZ et B3LYP/ Aug-cc-pVDZ
150
Tableau-V.3- : Les principaux angles dièdres en degrés (°) optimisés des trois
conformations
151
Tableau-V.4-: les énergies totales des trois conformations de la L-Sérine, L-Cystéine et
l’acide Aspartique calculées par deux méthodes HF et DFT et la même base
Aug-cc-pVDZ
152
Tableau-V.5- : Paramètres électroniques calculés pour la (Ser, Cys, Asp) 156 Tableau-V.6- : Calcul des charges MPA et NPA pour la (Ser, Cys, Asp) 157 Tableau-V.7-: Vibrational wave numbers obtained for L-Serine C3H7N1O3 at
B3LYP/aug-cc-pVDZ [harmonic frequencies (cm-1), IR intensities (KM/Mole), Raman scattering
activities (A**4/AMU), Raman depolarization ratios, reduced masses (amu) , force constants (mDyne/A)] and proposed assignement
162
Tableau-V.8-: Vibrational wave numbers obtained for L-Cysteine C3H7N1O2S1 at
B3LYP|aug-cc-pVDZ [harmonic frequencies (cm-1), IR intensities (KM/Mole), Raman
scattering activities (A**4/AMU), Raman depolarization ratios, reduced masses (amu) and force constants (mDyne/A)] and proposed assignement
163
Tableau-V.9-: Vibrational wave numbers obtained for L-Aspartic acid C4H7N1O4 at
B3LYP|aug-cc-pVDZ [harmonic frequencies (cm-1), IR intensities (KM/Mole), Raman
scattering activities (A**4/AMU), Raman depolarization ratios, reduced masses (amu) and force constants (mDyne/A)] and proposed assignement
165
Chapitre VI
Tableau- VI.1-: Classification des cations 182 Tableau-VI.2-: Caractéristiques des acides et des bases de Lewis 183
Tableau- VI.3- : Stabilité des complexes 183
Tableau-VI.4-: Position des éléments du bloc d dans le tableau périodique 186 Tableau-VI.5-: Configuration électronique des éléments de transition de la première
série de transition
186
Tableau-VI.6-: Les principales propriétés de l’élément Zinc ( Zn) 187 Tableau- VI.7-: Paramètres géométriques optimisés de C3H7N1O3, C3H7N1O2S1et
C4H7N1O4 par la DFT (longueur de liaison (Å), angles liaison et dièdres en (°)).
Tableau-VI.8-:Les valeurs d’énergies des orbitales frontières HOMO et LUMO,
Paramètres chimiques quantiques calculés à partir des énergies de la HOMO et la LUMO pour les molécules Sérine, Cystéine et L-Aspartique et leurs complexes
202
Tableau-VI.9-: charges naturelles NPA de la L-Ser, Ser- /a et Ser- /b 207 Tableau-VI.10-: charges naturelles NPA de la L-Cys, Cys- /a et Cys- /b 208 Tableau-VI.11-: charges naturelles NPA de l’acide L-asp, Acid asp- /a et
Acid asp - /b
209
Tableau-VI.12-: Fréquences de vibration de[ − / ],[ − / ]
et [ − / ]
211
Tableau-VI.13- : Fréquences de vibration de [ − / ],[ − / ]
et [ − / ]
213
chapitre VII
Tableau - VII.1-:Pouvoir sucrant de quelques exemples d’édulcorants 221 Tableau - VII.2- : Longueur de liaison (A˚) [calculé] pour le plan amide pour toute
combinaison de dipeptides étudiés optimisés par B3LYP/ 6-31G (d) .
228
Tableau - VII.3-: les principaux angles de liaison calculés en (°) pour le plan amide pour
toute combinaison de dipeptides étudiés optimisés par la B3LYP/ 6-31G (d)
229
Tableau - VII.4-: quelques propriétés thermodynamiques relatives au deux dipeptides 230 Tableau - VII.5-: Fréquences calculées au niveau B3LYP / 6-31G (d) pour l’Aspartame 233 Tableau - VII.6-: Fréquences calculées au niveau B3LYP / 6-31G (d) pour le Néotame 234
La science ouvre des perspectives à de nouveaux développements notamment dans le domaine qui nous concerne la chimie et la biochimie. Les découvertes scientifiques et les avancées techniques qui en découlent dépassent et souvent transcendent leurs objectifs initiaux.
A l’heure actuelle, l’accès aux propriétés structurales, thermodynamiques, mécaniques et la description des réactions chimiques en phase gazeuse, liquide et dans les milieux condensés est fourni par ces moyens de calculs et les connaissances théoriques développées par les théoriciens.
La connaissance de la structure d’une molécule en biologie moléculaire et la biochimie permet d’anticiper sa fonction biologique.
Parmi les composés carbonés qui forment la matière organique on trouve les acides aminés, relativement complexes, qui sont les précurseurs des protéines et donc un chainon essentiel pour la vie. On peut citer, à titre d’exemple : l'asparagine une substance qui se trouve dans l'asperge, le tout premier acide aminé découvert en 1806 puis la cystine en 1810, et en 1884, la glycine et la leucine.
Grâce au progrès des techniques d’analyses expérimentales, on peut identifier les structures tridimensionnelles des molécules biologiques, c’est à dire que les résultats des spectroscopies moléculaires nous donnent des informations précieuses sur la structure des molécules. Parmi ces méthodes, on peut citer la cristallographie par diffraction des rayons X, la diffusion neutronique, la diffusion des électrons, la spectroscopie Raman, la spectrométrie de masse, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) et l’absorption Infrarouge. Ces techniques contribuent à l’effort mené sur l’étude de la fonction de ces molécules et de leurs mécanismes d’interactions. L’examen des radiations absorbées par un échantillon permet l’identification des transitions entre les niveaux d’énergie et d’en déduire des informations sur la structure de la molécule considérée. Parfois, on ne peut accéder à ces informations par des méthodes expérimentales car c’est des méthodes lentes et souvent couteuses qui ne permettent pas toujours d’avoir des réponses à toutes les questions c’est pour cela qu’on fait appel à des techniques théoriques : la modélisation moléculaire.
La modélisation moléculaire est une technique qui consiste à : visualiser des
molécules, calculer leurs conformations et à simuler leur comportement de façon statique ou dynamique. Les molécules peuvent adopter plusieurs conformations dues à l’empilement cristallin ou au comportement en milieu solvate (aqueux).
L’évaluation de la stabilité relative de ces conformations se fait par le calcul de l’énergie potentielle qui leur est associée. Ce calcul d’énergie peut se faire par trois méthodes couplées à des méthodes de recherche de conformations et des minimiseurs qui permettent le calcul des minimas de cette fonction d’énergie potentielle. Le model permet un calcul rapide et moins coûteux et cela grâce au progrès des calculateurs performants c'est à dire les moyens informatiques (mémoire, rapidité, algorithmes, infographie) qui se sont considérablement développés, permettant la naissance de la bioinformatique, de la chimie et de la biologie informatique. L’informatique, par le biais de la modélisation moléculaire, est un nouveau pilier de la biologie structurale. La modélisation moléculaire fait donc appel à des méthodes de calculs théoriques dont les principes utilisent la mécanique moléculaire, la dynamique moléculaire et la mécanique quantique dont le but est de déterminer la géométrie des atomes d’une molécule et de ses propriétés physico-chimiques. Les résultats obtenus sont analysés par des outils de représentations graphiques qui permettent de les interprétés.
Le sujet de la présente thèse s’inscrit dans cette thématique, nous avons mené une
étude basée précisément sur les acidesa-amines qui sont les unités de base qui se combinent
pour former les protéines. Ces protéines sont les composants indispensables de l’alimentation, qui ont un rôle nutritionnel c'est à dire qu’elles permettent de fournir des acides aminés, de l’azote et de l’énergie. La séquence des acides aminés détermine la structure et la fonction de la protéine. Les acides aminés sont également des précurseurs pour
d'autres molécules biologiquement importantes telles que les hormones et les
neurotransmetteurs. Ils assurent le transport et le stockage des nutriments, ils sont capables de combattre les déficiences liées à des troubles métaboliques.
Cette thèse comprend trois parties:
Dans la première partie, on trouve cinq chapitres qui sont repartie comme suit : dans le premier chapitre un aperçu général est donné sur les molécules biologiques, les protéines et leurs quatre structures, les lipides et les acides nucléiques ainsi qu’une étude détaillée sur les acides aminés qui constituent les éléments de base des protéines.
Dans le deuxième chapitre, sont exposées les différentes méthodes de calculs
théoriques appliquées aux acides aminés et une discussion détaillée est portée sur l’application des ces méthodes aux molécules biologiques ainsi que les Approches théoriques de la réactivité chimique et le Principe HSAB.
Dans le troisième chapitre, nous avons exposé le matériel et les méthodes de la modélisation moléculaire en indiquant les différents logiciels utilisés.
Dans le quatrième chapitre, une description détaillée des différentes techniques et méthodes expérimentales appliquées à l’étude des acides aminés est exposée.
Le cinquième chapitre est consacré à l’étude des propriétés géométriques, énergétiques et spectroscopiques de ces acides aminés à l’aide de calculs quantiques. Les résultats obtenus sont ensuite examinés et interprétés en les comparants avec d’autres travaux antérieurs. on expose les résultats obtenues après est une étude quantique et spectroscopique des trois acides aminés : L-Sérine, L-Cystéine et L-acide Aspartique afin de reproduire le spectre expérimental des trois acides aminés choisis suivis d'un calcul de la distribution de l’énergie potentielle (PED) pour chaque molécule en utilisant les deux programmes GAUSSIAN et VEDA 4. Des méthodes théoriques de traitement en mécanique quantique ab-initio qui englobent quelques méthodes telles que Hartree Fock (HF) et de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont été appliquées sur ces molécules pour obtenir l’énergie la plus faible et par conséquent la conformation la plus stable.
La seconde partie est consacrée à une étude théorique de l’interaction entre le cation métallique Zinc et les molécules d’acides aminés étudiées en phase gazeuse. En effet, les cations sont présents dans les cellules vivantes et sont transportés par le transport actif qui se fait par l’intermédiaire de protéines de transport membranaire avec consommation d'énergie. Ces protéines se lient de façon spécifique à l’ion qui doit être transporté induisant un changement de conformation des protéines.
Les cations métalliques et les acides aminés participent à de nombreux processus biochimiques impliquant des protéines et des enzymes. Ce travail est une contribution à la compréhension fondamentale des processus impliques lors de la complexation d'acides
amines par un cation . L'etude des cas simples des complexes de la Sérine,
L-Cystéine et L-acide Aspartique avec le cation métallique qui impliquent des interactions
essentiellement électrostatiques. Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination des indices de réactivité de ces composés. Les complexes de petites molécules organiques avec ont ete etudies afin de mieux comprendre l'interaction de ces cations avec les différents sites basiques impliqués dans les acides amines et les peptides.
La troisième partie, quant à elle est consacrée à l’étude spectroscopique de deux édulcorants
de synthèse : l’Aspartame et le Néotame, en calculant les modes normaux de vibration. Ce calcul est également effectué avec l’aide du programme Gaussian03 et VEDA 4. Ce dernier permet de calculer entre autre les fréquences de vibration, la distribution de l’énergie potentielle (PED) qui donne la contribution partielle des coordonnées de symétrie à chaque
mode de vibration. L’Aspartame est un dipeptide obtenu par réaction de l’acide aspartique et d’un dérivé de la phénylalanine, deux acides aminés. Le Néotame, dipeptide de structure chimique similaire à l'Aspartame. Il possède un groupe (3,3-diméthylbutyle) supplémentaire sur la fonction aminé primaire de l'acide Aspartique. La présence du groupe 3,3-diméthylbutyle modifie profondément les propriétés de ce nouveau aspartame (Néo-tame).
Généralités sur Les
Molécules Biologiques
Introduction
La biochimie est l'étude de la composition chimique de la matière vivante et des réactions qui se produisent dans celle-ci. Les composés biologiques entrent dans deux grandes classes : les composés organiques qu'on retrouve partout dans l’Univers et les composés inorganiques. Les composés organiques contiennent du carbone auquel sont liés par des liaisons covalentes les atomes d'hydrogène, oxygène, azote, et soufre. Toutes les autres substances chimiques de notre organisme sont considérées comme des composés inorganiques. Il s'agit de l'eau, des sels et de nombreux acides et bases. Les composés organiques et inorganiques sont tout aussi vitaux les uns que les autres, ils sont tous indispensable à la vie. Chaque être vivant contient des milliers de molécules différentes. Nos aliments fournissent les molécules organiques et les minéraux dont nous avons besoin. Ces molécules organiques construites par notre corps à partir des aliments peuvent être regroupée en quatre grandes familles, biomolécules, à savoir :
Ø des protéines Ø des lipides
Ø des hydrates de carbone et Ø les acides nucléiques
Le carbone peut établir quatre liaisons covalentes avec d'autres atomes de carbone ou avec d'autres éléments grâce à ses quatre électrons de valence (figure –I.1-). C'est ce qui lui permet de former de longues chaînes linéaires (communes dans les graisses), des structures cycliques (comme dans les glucides et les stéroïdes) et de nombreuses autres structures essentielles à certaines fonctions de l'organisme.
Les molécules biologiques sont principalement constituées d’atomes de carbone (en raison de leur grande capacité à former différentes liaisons covalentes stables et des structures variées), d’hydrogène, mais aussi d’oxygène, d’azote et de soufre (dans le cas des protéines) ainsi que de phosphore (dans le cas des acides nucléiques).
I .1- Les protéines
I.1.1- Définition
Le terme « protéines » vient du grec protos, qui signifier le premier ou qui tient la première place [1]. Les protéines sont constituées d’une succession d’acides aminés (vingt types différents Chez l’homme); qui constituent des unités monomériques appelés résidus.
I.1.2- La liaison peptidique
La liaison de polymérisation entre deux acides aminés est appelée liaison peptidique. Les résidus liés forment une chaine qui se replie pour aboutir à la forme active de la protéine appelée conformation native. Cette unique conformation totalement repliée correspond à la forme la plus stable et c’est elle qui assure les propriétés spécifiques : fonctions enzymatiques et mécaniques, stabilité thermique.... (figure- I.2 et I.3-).
Figure – I.2- Liaison peptidique entre deux acides aminés
Les ions carboxylate et ammonium réagissent pour former une liaison plane. La planéité de cette liaison a été observée expérimentalement par des études cristallographiques sur les acides aminés et des peptides [2].
Dans les protéines, les acides aminés sont reliés entre eux par une liaison peptidique O=CN-H caractérisée par 2 formes imposant ainsi à l’angle de torsion de la liaison C-N deux valeurs particulières (Figure-I.4).
Les protéines présentent plusieurs structures différentes appelés structures primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire [3].
I.1.3- La structure primaire
La structure primaire, encore appelée séquence protéique, équivaut à l’ordre d’enchaînement des acides aminés les uns aux autres par la liaison peptidiques [4].
I.1.4- Structure secondaire
La structure secondaire caractérise le premier degré de repliement de la chaîne polypeptidique. Elle résulte d’un repliement local de la protéine créé par des interactions stériques et électrostatiques et stabilisé par des liaisons hydrogène.
Figure – I. 4- définitions des angles dièdres de la chaîne principale
L’existence de structures secondaires vient du fait que les repliements énergétiquement favorables de la chaîne peptidique sont limités et que seules certaines conformations sont possibles. Les structures secondaires les plus courantes sont les hélices a et les feuillets b. L’hélice est une structure secondaire en forme de ressort
I.1.5- Structure tertiaire
Les hélices et les feuillets plissés reliés par des boucles de conformation non régulière, se reploient en des unités compactes et globulaires appelées domaines dont l’organisation tridimensionnelle constitue la structure tertiaire de la chaîne polypeptidique.
Ce sont des interactions non liantes de types électrostatiques et de Van Der Waals , ainsi que les ponts salins, les liaisons hydrogènes et les ponts disulfures qui permettent de stabiliser ce type de structure[5].
I.1.6- Structure quaternaire : Cette structure résulte de l’association de plusieurs
chaînes Polypeptidiques ou sous-unités [6-7]. Ces sous unités peuvent être identiques comme c’est le cas de l’hémoglobine qui est constituée de 4 sous-unités identiques représentées en différente couleurs ou bien radicalement différentes comme dans le cas de la protéine du virus du tabac ou le récepteur de l'élastine.
I.2- LES LIPIDES
Les lipides constituent la matière grasse des êtres vivants. Ils ne correspondent pas à une catégorie de molécules parfaitement définie chimiquement et forment donc un groupe très hétérogène de composés [8]. Comme il est difficile de les définir à partir de leur structure, on le fait par leurs propriétés physiques. Ces molécules sont caractérisées par leur hydrophobicité qui est leur point commun. Ce sont des substances insolubles en milieu aqueux c'est-à-dire elles ne sont pas solubles dans les solvants polaires comme l’eau, mais elles le sont dans les solvants organiques apolaires tels que l’éthanol, l’éther, le chloroforme, le benzène, le cyclohexane …La nature hydrophobe des molécules lipidiques leur confère une fonction de barrière efficace qui s’oppose au passage des molécules polaires. Ce sont les huiles (liquides) et les graisses (gélifiées ou solides). Ils peuvent se présenter à l’état solide, comme dans les cires et les graisses, ou liquide, comme dans les huiles. Les lipides naturels constituent :
· Des réserves énergétiques
· Des constituants structuraux de la cellule (membranes)
· Pour certains, ils sont doués d’activité biologique (hormones stéroïdes, vitamines liposolubles, médiateurs cellulaires,…)
Les lipides peuvent s’associer et participer à des édifices supramoléculaires.
I.3- LES ACIDES NUCLEIQUES
I.3.1- Définition
Les acides nucléiques constituent une des 4 principales classes de composés organiques nécessaires à la cellule avec les glucides, les lipides et les protéines.
I.3.2- Structure des bases pyrimidiques et puriques
Les acides nucléiques déterminent la structure primaire des protéines en portant et transmettant l’information génétique. Ce sont des polymères de nucléotides appelés
polynucléotides, plus connus sous le nom d’ADN et d’ARN. Chaque nucléotide se compose d’un groupe phosphate lié par une liaison de covalence à un sucre (un pentose) (Figure-I.8-), lui-même lié à une base azotée. Les nucléotides se lient, en créant un squelette
sucre-phosphate auquel sont attachées les bases, par des liaisons phosphodiesters [9].
Les bases azotées sont au nombre de quatre : l’adénine, la guanine, la cytosine et la thymine (substituée par l’uracile dans l’ARN) ( Figure -I9-).
Figure - I.8- Formation du nucléotide
I.3.3- Structure d’un brin d’ADN et d’un brin d’ARN
L’acide ribonucléique (ARN) et l’acide désoxyribonucléique (ADN) se distinguent par leurs sucres le pentose qu'ils contiennent : respectivement le ribose et le désoxyribose.
L’ARN est généralement trouvé sous la forme d’un simple brin, souvent replié de manière complexe sur lui-même, alors que l’ADN se présente sous la forme d’un double brin adoptant une structure hélicoïdale. Les deux brins sont alors maintenus par des liaisons hydrogène se formant entre bases complémentaires (Figure-I.10-). D’autres forces, telles que les interactions de van der Waals, contribuent à stabiliser la structure. L'ADN est le support de l'information génétique qui est transmise de génération en génération par contre l'ARN sert d'intermédiaire dans la circulation de l'information génétique de l'ADN aux protéines.
En outre, les acides nucléiques présentent des propriétés mécaniques intrinsèques d’élasticité et de flexibilité structurale facilitant l’interaction avec d’autres molécules biologiques avoisinantes [10].
I.4- LES ACIDES AMINES
I.4.1-Définition
Les acides amines sont des acides organiques contenant un groupement amine. Ce sont des molécules biologiques qui possèdent deux fonctions :
Ø une fonction acide et l'autre
Ø une fonction amine ( basique) (figure -I.11-).
Ils sont constitués :
ü d’un groupecarboxyle
ü d’un groupeamine
ü d’un atome d’hydrogène
ü d’un groupeR (chaîne latérale)
Ces quatre groupes sont liés à un seul carbone : le adjacent au groupe carboxyle.
R: correspond à un radical ou chaîne latérale, c'est la partie variable des acides aminés.
Il existe plusieurs familles d'acides aminés[11-12] : les acides − é où le
groupement amine− et le groupement acide carboxylique− sont fixés au même
atome de carbone appelé par convention carbone ( ) , les acides − é où le
groupement amine primaire− est fixé sur le carbone , les acides − é où le
groupement amine primaire− est fixé sur le carbone etc... (figure- I.12-).
Figure – I.11- Structure générale des acides aminés
acides − é Acides − é
Les acides aminés naturels sont essentiellement des acides − porteurs du groupe
amino en du groupe carboxyle, donc répondant à la structure générale. C'est cette chaine
qui détermine la nature de l'acide aminé puisque le reste est invariant.
Les acides aminés se différencient les uns des autres par leur radical. On peut donc théoriquement faire une infinité d'acides aminés
.
I.4.2- Nomenclature des acides aminés
Il existe 20 acides aminés naturels (20 chaînes latérales R différentes) qui composent les protéines. Les biologistes ont mis en place une nomenclature composé de 3 lettres pour designer l'acide aminé par contre les chimistes ont simplifié cette nomenclature en utilisant seulement une lettre ce qui a permis d'instaurer pour plus de commodité, un code international composé d’une lettre ou de trois lettres, défini par l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) et l’IUBMB (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Ce code peut être utilisé pour désigner chacun de ces vingt acides aminés et qui
permettra de les nommer de façon synthétique [13].Les symboles utilisés sont présentés dans
le Tableau - I.1- ci-dessous[14].
I.4.3-Les acides aminés essentiels
Les acides aminés constituent avec les sucres les molécules de base des organismes vivants : les protéines sont composées de l’association de vingt acides α-aminés différents dont 8 sont indispensables à l’être humain adulte :Leu, Thr, Lys, Trp, Phe, Val, Met, Ile et auxquels s’ajoute l’Histidine chez le nourrisson. On dit qu’ils sont essentiels, car l’organisme ne peut pas les fabriquer lui-même c'est à dire ils ne peuvent pas être synthétisés par le corps
et ils doivent être fournis par des aliments ou par des compléments alimentaires[15].
I.4.4 - Les acides aminés non essentiels
Les acides aminés non essentiels sont naturellement produits par le corps sachant que chaque individu a sa propre capacité à les produire c'est pour cela les besoins en proteines sont variables. Une bonne santé nécéssite un apport en acides aminés de tous les types. Ceux-ci sont au nombre de 12: Alanine, Arginine, AspArginine, aCeux-cide Aspartique, Cystéine, aCeux-cide Glutamique, Glutamine, Glycine, Histidine, Proline, Sérine, Tyrosine. Certains acides aminés non essentiels peuvent être convertis en d'autres acides aminés non essentiels comme l'acide glutamique qui peut être transformé en Glutamine, Proline ou Arginine.
Les acides aminés jouent aussi un rôle important dans le phénomène photosynthétique [16]. En agro-alimentaire, ils peuvent exercer un effet sur l'oxydation de composés polyphénoliques
[17] responsables de l'apparition d'une couleur brune dans les aliments. En oenologie, la Tableau - I .1- : les 20 acides aminés naturels avec l’abréviation biochimique en 3 lettres, le code
détermination des acides aminés libres [18] est importante car ils ont un rôle sur la fermentation des vins et leur composition est caractéristique d'un terroir, d'un cépage.
I.4. 5 - Classification des acides aminés
Chaque acide aminé a sa propre structure chimique (Tableau - I.1-) ce qui engendrera des propriétés physico-chimiques différentes[19] qui dépendent des caractéristiques de la chaîne latérale c'est à dire que la nature des acides aminés varie uniquement en fonction de cette chaîne latérale R (Tableau- I.2-).
I .4.5.1-Classification des acides selon la structure de la chaîne latérale R
Ø A chaînes latérales aliphatiques é é : valine, Leucine et isoLeucine∶ glycine, alalnine Ø A fonction alcool: Sérine et Méthionine
Ø A fonction soufrée: Cystéine et Thréonine
Ø A fonction acide : acide aspartique et acide glutamique Ø A fonction basique: Histidine, Lysine et Arginine.
Ø A chaînes latérales cyclique ∶ Phénylalanine, Tyrosine et Tryptophane
− é:
I.4.5.2 - Classification des acides selon la polarité de la chaine latérale R
On distingue trois types d'acides aminés: les acides aminés neutres, acides et basiques,
selon que leur chaîne latérale ne contient pas de groupement ionisable ou porte un groupement ionisables par perte ou par fixation d'un proton.
Les acides aminés hydrophobes ou apolaires: leurs chaînes latérales sont non chargées et
non polaires (tableau -2- ). Parmi ces acides aminés, on trouve la Proline qui a la particularité d’avoir une fonction amine secondaire et un cycle qui impose des contraintes de conformation à la chaîne principale. Les chaînes latérales de la Phénylalanine et de la Tyrosine possèdent des groupements aromatiques dont l’encombrement stérique est important. Les molécules non polaires ne peuvent pas contracter de liaison hydrogène avec les molécules d'eau tendent à s'associer pour fuir ce repoussement du milieu aqueux. L'énergie de liaison d'une liaison hydrophobe est 20 fois plus faible que celle d'une liaison covalente. Plus la chaine latérale est volumineuse, plus le caractère hydrophobe est croissant. L’atome de soufre possède un caractère nucléophile grâce à ses doublets non liants ce qui lui permet de se lier à des métaux dans la Méthionine .
Les acides aminés polaires neutres: leurs chaînes latérales sont non chargées, elles peuvent
former des liaisons hydrogène avec l’eau. Ces acides aminés polaires sont plus solubles dans l'eau que les acides aminés apolaires. L'énergie de liaison d'une liaison hydrogène est 10 fois plus faible que celle d'une liaison covalente. Elles présentent des groupes fonctionnels hydroxyle, sulfhydryle ou amide. Le groupement hydroxyle de la Sérine et la Thréonine sont polaires et très peu ionisables, ils confèrent un certain caractère hydrophile à la chaîne latérale par contre l'hydroxyle phénolique de la Tyrosine est plus ionisable que celui de la Sérine et la Thréonine. Le groupement sulfhydryle de la Cystéine est légèrement ionisable ce qui lui permet de former des liaisons hydrogène avec des atomes d'oxygène ou d'azote comme elle peut perdre son proton et former un anion thiolate. Le groupe amide n'est pas réactif car il ne s'ionise pas mais il est polaire donc il peut jouer le rôle d'accepteur ou donneur dans des
liaisons hydrogène[11,20].
Les acides aminés polaires ionisables : la charge de ces groupements fonctionnels des
chaînes latérales en milieu aqueux dépend du pH. Ces chaînes sont très hydrophiles. On peut classer ces acides polaires ionisables en deux classes:
· Les acides aminés polaires acides: Ils présentent un groupe carboxylique dans la chaîne latérale. Cette fonction acide est plus faible que celle liée au carbone .
L’acide Aspartique, l’acide Glutamique peuvent exister sous forme ionique − à
une fonction supplémentaire nucléophile dans certaines réactions enzymatiques et participent aux interactions électrostatiques[21-22].
· Les acides aminés polaires basiques:
Les chaînes latérales des acides aminés comme la Lysine, l’Arginine et l’Histidine portent un groupement fonctionnel azoté basique. Ces acides aminés, pour l’Histidine dans certains cas, sont chargés positivement à pH physiologiques. La charge positive de l’Histidine dépend de son environnement c'est à dire le pKa de l’acide conjugué de l’Histidine, dont le cycle imidazole est protoné, vaut 6,1. Ce cycle imidazole est un catalyseur nucléophile efficace. La chaîne latérale de l'Histidine a un rôle de donneur et d'accepteur de proton au cours de certaines réactions enzymatiques à pH neutre malgré qu’elle ne soit protoné qu'à 10% à pH 7. Par contre, la Lysine et l’Arginine
sont complètement protonnées à pH physiologique et participent aux interactions
électrostatiques dans les protéines[19,21].
I.4.6 -Propriétés physiques des acides aminés
Les acides aminés se présentent sous forme de solides blancs, cristallisés, solubles dans l'eau où ils donnent des solutions incolores. Les moins solubles sont la Cystine, la Tyrosine, la Leucine.
I.4.6.1-La chiralité : l'atome de carbone a des acides aminés est un carbone
asymétrique sauf pour la glycine car il est lié à quatre atomes ou groupements d'atomes
différents:− , − , − et la chaîne latérale R. Il est au centre d'un tétraèdre dont les
sommets sont occupés par les différents substituant. Cela signifie qu'il est possible d'avoir deux conformations différentes d'un même acide aminé, On désigne ces conformations L et D (figure-I.13-).
On dit que le carbonea est un centre chiral et les deux stéréoisomères sont des énantiomères. Les lettres ( D ) et ( L ) font référence au D-glycéraldéhyde et au L- glycéraldéhyde c'est à dire au fonctions amines des acides aminés et la fonction alcool secondaire pour la glycéraldéhyde; si elles sont à droite, la molécule est ( D ) et si elle est à gauche , la molécule est ( L ). Ces deux isomères optiques sont représentés selon la projection de Fisher. Les protéines naturelles sont constituées uniquement d’acides aminés de type L[23]. Pour les acides aminés naturels de type D, on les trouve dans les parois des bactéries et dans certains peptides antibiotiques.
le passage d'une solution aqueuse d'acide aminé de pH neutre à une solution de pH acide entraine une variation positive du pouvoir rotatoire[a], on dit qu'il s'agit d'un acide aminé d'origine protéique ( tableau - I.3-)[24].
Il faut souligner aussi que lorsqu’un acide aminé est synthétisé chimiquement en laboratoire, c'est la forme optiquement inactive qui est obtenue.
I.4.6.2 - Absorption et fluorescence : les acides aminés n'absorbent pas la lumière dans la
région visible du spectre électromagnétique c'est pour cela leurs solutions sont incolores.
Dans la région de l'infrarouge, tous les acides aminés absorbent la lumière entre 1400
et 1600 . les bandes d'absorption sont caractéristiques de leurs chaînes latérales dans
cette région (IR). Dans la région de l'ultraviolet moyen, seuls les acides aminés aromatiques absorbent de façon importante. les acides aminés aliphatiques absorbent la lumiere pour une longueur d'onde inferieur à 230 nanomètres ( nm) mais la Phénylalanine absorbe entre 230 et 260 nm par contre le Tryptophane et la Tyrosine , ils absorbent à 280 nm voir Figure –I.14 -. Ces fortes absorptions sont due à la presence du cycle aromatique dans la structure des trois acides aminés. Cette propriété est très souvent utilisée pour le dosage rapide des peptides et
des protéines[25], c'st à dire que chaque acide aminé aromatique a un spectre d'absorption specifique.
I.4.6.3 - La solubilité et la volatilité : Les acides aminés sous forme de cristaux ont
un point de fusion élevé au-dessus de 200°C, ils sont beaucoup plus solubles dans les solvants polaires tels que l'eau que dans d'autres solvants moins polaires tel que l'alcool, à l'exception de la Proline ou l’hydroxyProline qui se dissout bien dans l'alcool mais ils sont insolubles dans les solvants organiques non polaires tels que le benzène, l’hexane ou l’éther. On utilise plus l'acide aminé sous forme cristallise mais sous forme ionisée.
La solubilité diminue avec le nombre d’atomes de carbones du radical mais augmente si ce radical est porteur de fonctions polaires tels que la fonction amine ou carboxylique ou hydrophiles comme le groupement OH.
La solubilité des acides aminés dans l'eau dépend essentiellement de deux facteurs :
ü le double groupement fonctionnel commun qui peut s'ioniser et donc favoriser la dissolution
ü la chaîne latérale qui peut avoir un caractère plus ou moins polaire ou apolaire.
I.5 - Le rôle biologique des acides aminés
Les acides aminés sont les composants de base des protéines qui occupent dans le monde du vivant une place particulièrement importante et possèdent un rôle crucial dans le métabolisme et la physiologie de la cellule. Ce sont les précurseurs de nombreux composés
biochimiques, telles que les hormones, les neurotransmetteurs, molécules servant de
messagers aux cellules nerveuses, ou encore les pigments de votre peau. Les acides aminés accomplissent beaucoup de rôles ou fonctions vitales :
Ø structurel : peau, muscles Ø enzymatique
Ø hormonal : glucagon, insuline Ø transporteur : hémoglobine Ø défense : immunoglobuline Ø stockage de matériel: ferritine
I.6 -DOMAINE D’UTILISATION DES ACIDES AMINES
Dans cette section, nous allons essayer de citer le rôle de chaque acide aminé des 20 énumérés dans Tableau- I.1- et le domaine de son utilisation.
L’Alanine : c’est un acide aminé non essentiel : notre organisme peut le produire. L'Alanine
joue un rôle considérable dans la fonction immunitaire participe à l’élimination du phosphate et autres produits nocifs. Elle nous protège de l’accumulation de substances toxiques libérées dans les cellules musculaires quand la protéine musculaire se décompose rapidement pour satisfaire les nécessités d’énergie, comme dans le cas d’un exercice aérobic. C’est un neurotransmetteur inhibiteur comme la taurine, la Glycine et le GABA. Elle se retrouve principalement dans le blé, les avocats, les produits laitiers, le bœuf, la volaille…
L’Arginine : est un acide aminé semi essentiel : même si il est synthétisé par l’organisme, il
peut dans certaines situations telles que un traumatisme, des maladies… se retrouver en quantité insuffisante pour répondre aux besoins de l’individu. Il participe également à la réparation du tissu conjonctif et de la peau, stimule l’immunité permettant de se protéger contre les infections virales, favorise le développement musculaire, stimule aussi la sécrétion de l’hormone de croissance par l’hypophyse.Comme il aide à contrer les désordres hépatiques car elle aide à éliminer l’ammoniaque du foie[26] et à brûler les graisses, à lutter contre le vieillissement et permet à l’organisme de se détoxifier. On trouve l’Arginine principalement dans les fruits secs, les céréales (soja, blé, avoine, maïs, riz), le chocolat, les poissons, les œufs, la viande , les produits laitiers et les plantes (courges, algues).
L’Asparagine : c’est un acide aminé non essentiel : sa synthèse se fait naturellement par
notre organisme à partir d'oxaloacétate, comme il peut être synthétisé à partir de l’acide aspartique. L'Asparagine fut le premier acide aminé découvert, dans l'asperge, d'où son nom. Elle joue un rôle clé dans la synthèse de protéines et des glycoprotéines. Il participe à la
réduction du nombre des crises d’épilepsie et contribue à la conversion des acides aminés par le foie. L’Asparagine augmente la résistance à la fatigue, améliore le fonctionnement du foie et calme la nervosité. La nature présente de nombreuses sources d'asparagine, notamment les produits laitiers, les œufs, la viande, la volaille et les germes de blé. Les asperges contiennent également de l'asparagine qui apporte leur odeur aux urines après leur ingestion.
L’Acide Aspartique:est l'un des 22 acides aminés codés génétiquement, dont le rôle est de produire des protéines. Il est le plus acide d'entre eux et appartient par ailleurs à la catégorie des acides aminés non essentiels. Les principales fonctions de l'acide aspartique impliquent une résistance accrue à la fatigue chronique et de dépression, ainsi que protéger le foie et le système nerveux détoxification du corps, il diminue également le taux de cholestérol et de triglycérides. Les principaux aliments riches en acide aspartique sont la viande, le poisson, les œufs et les produits laitiers, …
La Cystéine : fonctionne comme un antioxydant important dans la désintoxication de toxines
nocives et elle réagit contre les radicaux libres. Elle fait partie de beaucoup d’enzymes ou elle assure la stabilité entre protéines et les enzymes, ainsi que de le glutathion, des taurines. Elle protège le corps des radiations, le foie et le cerveau de problèmes liés à l’alcool, aux drogues et aux composés toxiques qui se trouvent dans la fumée des cigarettes. On l’emploie pour traiter l’arthrite rhumatoïde et l’induration des artères. On la trouve dans la viande, les œufs, les oignons, l’ail, les asperges, le chou et les brocolis. Avec l’huile d’olive ozonisée, elle élimine les ténias et leurs larves, ainsi que les ascarides.
L’Acide Glutamique : c’est l'acide aminé le plus fréquent dans le tissu musculaire .Il agit
comme neurotransmetteur excitant du système nerveux central, du cerveau et de la moelle épinière. Il aide à la lutte contre le besoin de sucre, facilite le transport du potassium dans le liquide céphalorachidien, agit comme combustible pour le cerveau et corrige les troubles de personnalité comme il améliore l’équilibre psychique et lutte contre la fatigue cérébrale. Il se retrouve principalement dans Poissons, œufs, produits laitiers, viandes, volailles, les tomates, les algues, persil cru, fèves, épinards crus, les pommes de terre, les asperges, la carotte, …
La Glutamine : c’est un des acides aminés les plus abondants dans le sang et dans les
muscles. Cet acide n’est pas considéré comme un acide aminé essentiel parce que le corps est capable de la synthétiser lui-même, à partir de plusieurs aliments, en fonction de ses besoins. La Glutamine contrôle la fatigue, la dépression et l’impotence. Elle est utilisée pour traiter la schizophrénie et la démence. C’est aussi un neurotransmetteur très concentré dans le cerveau et le liquide céphalorachidien. La viande, le poisson, les produits laitiers, les céréales et les
légumineuses sont de bonnes sources de Glutamine. Les épinards et le persil crus en contiennent également.
La Glycine : est un acide aminé non essentiel. Elle peut être synthétisée dans le foie à partir
de la Sérine et de la Thréonine. On la trouve principalement dans les tissus conjonctifs, la peau et les muscles. Elle est un neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central et un important composant et précurseur de bon nombre de molécules au sein des cellules. La Glycine est essentielle à la production de divers acides incluant les acides nucléiques, les acides biliaires, la créatine et la porphyrine et est étroitement liée au système nerveux central et au système digestif. Elle aide au métabolisme des graisses en agissant sur la concentration des acides biliaires. Les sources alimentaires de Glycine sont : la gélatine, la viande, les graines de sésame, les fèves, les poissons, les produits laitiers, le poulet, la dinde, les algues et le blanc d’œuf.
La Histidine: est considéré comme un acide aminé essentiel uniquement pour les enfants car
il n’est pas synthétisé en assez grande quantité chez eux, pour les adultes, il est généralement non essentiel, sauf dans certaines pathologies. Il est considéré comme un acide aminé semi essentiel. Elle est indispensable pour la croissance, la réparation des tissus, pour la production des globules rouges et blancs du sang, pour protéger l’organisme des radiations, réduire la pression des artères, aider l’élimination des métaux lourds du corps et entre dans la composition des enzymes pancréatiques qui digèrent les protéines . on trouve de l’Histidine dans les aliments riches en protéines mais aussi dans : les algues, les haricots, les œufs, le sarrasin, le maïs, le chou-fleur, les champignons, les pommes de terre, les pousses de bambou, les bananes et les agrumes.
La Isoleucine: est un acide aminé essentiel ne pouvant être produit par l’organisme et doit être apporté par l’alimentation. Elle contribue aussi à maintenir stable les niveaux d’énergie en aidant à la régulation du taux de sucre sanguin c’est à dire contrôler la glycémie. La fonction de l'Isoleucine est de favoriser le transport des globules rouges. Les principales sources naturelles de l’Isoleucine sont les aliments d’origine animale comme les viandes, les œufs, le lait et ses dérivés, et les aliments d’origine végétale comme le riz intégral, …, divers fruits, le sésame, la citrouille et la pomme de terre les champignons.
La Leucine : la Leucine est un acide aminé essentiel. Son rôle consiste à réguler le taux de
sucre sanguin et procurer à l’organisme de l’énergie pour fonctionner, participe également à la production de l’hormone de croissance, à la régénération des os, de la peau et des tissus musculaires après blessure et c’est pourquoi on la recommande souvent pour récupérer d’une
intervention chirurgicale. Il est possible de retrouver cet acide aminé dans divers aliments comme la viande et surtout les viandes rouges en contiennent le plus, les produits laitiers, le soja, les lentilles, les œufs, les graines de courges, le riz complet, les haricots secs, …
La Lysine:la Lysine appartient à la famille des acides aminés essentiels. Elle e joue un rôle important dans le développement osseux chez l’enfant et aide à la formation d'anticorps et de collagène(os, cartilage, tendon, tissu conjonctif) en collaboration avec la vitamine C. Les aliments tels que le poisson, les crevettes, les produits laitiers, l’avocat, la viande rouge, les œufs, les légumineuses, le soja sont riches en Lysine.
La Méthionine : acide aminé essentiel, La Méthionine joue un rôle important dans la synthèse de nombreuses protéines primordiales telles que la carnitine ou la mélatonine, participe à la dégradation des lipides, prévient leur accumulation dans le foie et les artères qui peuvent bloquer le flux sanguin au cerveau, au cœur et aux reins. Elle est un antioxydant puissant. On la retrouve principalement dans les produits laitiers, les viandes, les volailles, les poissons, les germes de blé, les graines de tournesol, avocats, oignons et les œufs.
La Phénylalanine : il s’agit de l'un des 9 acides aminés essentiels non fabriqués par
l'organisme, qui doit être apporté par la nourriture. La Phénylalanine est un acide aminé essentiel aromatique, il est utilisé par le cerveau pour produire la noradrénaline. La Phénylalanine est également considérée comme un bon antidépresseur et un analgésique. Elle se trouve dans des aliments tels que la viande, les poissons, les crustacés, les œufs, les fruits, en particulier les graines et les noix, les légumes, en particulier les pois et les racines féculentes, le soja et les produits laitiers.
La Proline : est un acide aminé dit non essentiel. La Proline est le précurseur unique de
l'hydroxyProline, un intermédiaire indispensable à la production du collagène, à renforcer le cartilage, les ligaments, les tendons et les artères. Elle se retrouve principalement dans le germe de blé, les protéines animales : poissons, viandes, volailles, les produits laitiers ainsi que les amandes, le pain et les œufs.
La Sérine : Elle possède aussi différentes fonctions au sein de l’organisme. Elle permet la
transformation des acides gras dans l’organisme, agit sur la masse musculaire en contribuant à sa croissance, aide à la récupération après l’effort par la synthèse de la créatine et élimine la carence en glutamine. On la trouve dans la viande, les produits laitiers, l’arachide, le blé et le soja.
La Thréonine : acide aminé essentiel, non synthétisé par l'organisme. La Thréonine joue un
digestion. Elle participe à la formation du collagène, de l’élastine dont la peau, les cheveux mais aussi les tissus conjonctifs et de l’émail des dents, ainsi que des anticorps. Elle se retrouve principalement dans les produits laitiers, les viandes, les volailles, les germes de blé, les graines, les noix, les fèves, les œufs.
Le Tryptophane : acide aminé essentiel non synthétisé par l'organisme. Antidépresseur,
Contribue à la santé du système nerveux, stabilise l’humeur, stimule la libération de l’hormone de croissance, aide l’action des vitamines B et permet notamment la synthèse de la niacine (vitamine B3). Tous les produits suivant : Les bananes, le chocolat noir, les graines, les noix et les épinards, le Riz, soja, les amandes, poissons et les œufs sont un exemple d’aliments riches en Tryptophane.
La Tyrosine : acide aminé est dit non- essentiel. Elle stimule le métabolisme, le système
nerveux et la sécrétion d'hormone de croissance par l'hypophyse et présente une action sur la dépression ou l'anxiété. La Tyrosine est présente en général dans les aliments contenant des protéines : banane, avocat, amande, germe de blé, sésame, soja, graine de citrouille, les produits laitiers.
La Valine : il s’agit d’un acide aminé essentiel. La Valine ne peut être produite par le corps.
La valine représente un excellent stimulant du système nerveux, combat la fatigue et
augmente la vivacité mentale tout comme la coordination musculaire. Parmi les aliments riches en Valine, on trouve principalement le fromage blanc, le poisson, la viande, les cacahuètes, les graines de sésame et les lentilles, les champignons, le soja, le riz et les haricots.
I.7 – Intérêt du choix des molécules d’acide aminé étudiées
Les aminoacides sont des constituants élémentaires d'un très grand nombre d'objets biochimiques (enzymes, récepteurs, substrats, etc.). Les enzymes sont des protéines de hautes masses moléculaires (10 000 à 100 000 daltons) et sont constituées de longues chaînes d'acides aminés unis par des liens peptidiques. Ce sont des macromolécules qui appartiennent à la classe des protéines globulaires. Elles sont présentes dans les cellules de tous les organismes vivants où elles jouent un rôle essentiel en contrôlant les procédés métaboliques permettant aux nutriments d'être transformés en énergie et en matériaux cellulaires.
Au cours de la vie d’une cellule, pratiquement toutes les protéines sont renouvelées par dégradation et synthèse de novo. La dégradation de ces molécules complexes en
