Acides aminés non protéinogènes - Non-proteinogenic amino acids
En biochimie , les acides aminés non codés ou non protéinogènes sont distincts des 22 acides aminés protéinogènes (21 chez les eucaryotes) qui sont naturellement codés dans le génome des organismes pour l'assemblage des protéines. Cependant, plus de 140 acides aminés non protéinogènes sont présents naturellement dans les protéines et des milliers d'autres peuvent être présents dans la nature ou être synthétisés en laboratoire. De nombreux acides aminés non protéinogènes sont importants :
- intermédiaires de biosynthèse,
- dans la formation post-traductionnelle des protéines,
- dans un rôle physiologique (ex. composants des parois cellulaires bactériennes , neurotransmetteurs et toxines ),
- composés pharmacologiques naturels ou artificiels,
- présent dans les météorites ou utilisé dans des expériences prébiotiques (par exemple, expérience de Miller-Urey ).
Définition par négation
Techniquement, tout composé organique avec une amine (-NH 2 ) et d' un acide carboxylique (-COOH) groupe fonctionnel est un acide aminé. Les acides aminés protéinogènes sont un petit sous-ensemble de ce groupe qui possède un atome de carbone central (α- ou 2-) portant un groupe amino, un groupe carboxyle, une chaîne latérale et une conformation α-hydrogène levo , à l'exception de la glycine , qui est achiral , et la proline , dont le groupe amine est une amine secondaire et est par conséquent fréquemment désigné comme un imino acide pour des raisons traditionnelles, bien que pas un imino.
Le code génétique code pour 20 acides aminés standards à incorporer dans les protéines lors de la traduction . Cependant, il existe deux acides aminés supplémentaires protéinogènes : la sélénocystéine et la pyrrolysine . Ces acides aminés non standards n'ont pas de codon dédié, mais sont ajoutés à la place d'un codon stop lorsqu'une séquence spécifique est présente, le codon UGA et l' élément SECIS pour la sélénocystéine, la séquence en aval UAG PYLIS pour la pyrrolysine. Tous les autres acides aminés sont appelés "non protéinogènes".
Sélénocystéine. Cet acide aminé contient un groupe sélénol sur son -carbone
Pyrolysine. Cet acide aminé est formé en joignant au groupe -amino de la lysine un cycle pyrroline carboxylé
Il existe différents groupes d'acides aminés :
- 20 acides aminés standards
- 22 acides aminés protéinogènes
- plus de 80 acides aminés créés de manière abiotique à des concentrations élevées
- environ 900 sont produits par des voies naturelles
- plus de 118 acides aminés modifiés ont été placés dans des protéines
Ces groupes se chevauchent, mais ne sont pas identiques. Les 22 acides aminés protéinogènes sont biosynthétisés par les organismes et certains d'entre eux, mais pas tous, sont également abiotiques (trouvés dans les expériences prébiotiques et les météorites). Certains acides aminés naturels, tels que la norleucine , sont mal incorporés dans la traduction dans les protéines en raison de l'infidélité du processus de synthèse des protéines. De nombreux acides aminés, tels que l' ornithine , sont des intermédiaires métaboliques produits par biosynthèse, mais non incorporés par traduction dans les protéines. La modification post-traductionnelle des résidus d'acides aminés dans les protéines conduit à la formation de nombreux acides aminés protéiques, mais non protéinogènes. D'autres acides aminés se trouvent uniquement dans les mélanges abiotiques (par exemple l'α-méthylnorvaline). Plus de 30 acides aminés non naturels ont été insérés par traduction dans des protéines dans des systèmes modifiés, mais ne sont pas biosynthétiques.
Nomenclature
En plus du système de numérotation IUPAC pour différencier les différents carbones dans une molécule organique, en attribuant séquentiellement un numéro à chaque carbone, y compris ceux formant un groupe carboxylique, les carbones le long de la chaîne latérale des acides aminés peuvent également être étiquetés avec des lettres grecques , où le carbone est le carbone chiral central possédant un groupe carboxyle, une chaîne latérale et, dans les acides -aminés, un groupe amino - le carbone dans les groupes carboxyliques n'est pas compté. (Par conséquent, les noms IUPAC de nombreux acides -aminés non protéinogènes commencent par 2-amino- et se terminent par -ic acid .)
Acides aminés naturels mais non L-α
La plupart des acides aminés naturels sont des acides -aminés de conformation L, mais il existe quelques exceptions.
Non alpha
Certains acides aminés non-α existent dans les organismes. Dans ces structures, le groupe amine déplacé plus loin de l'extrémité acide carboxylique de la molécule d'acide aminé. Ainsi, un acide aminé a le groupe amine lié au deuxième carbone, et un acide aminé l'a sur le troisième. Les exemples incluent la β-alanine , le GABA et l'acide -aminolévulinique .
β-alanine : un acide aminé produit par l' aspartate 1-décarboxylase et un précurseur de la coenzyme A et des peptides carnosine et ansérine .
Acide γ-aminobutyrique (GABA) : un neurotransmetteur chez l'animal.
Acide δ-aminolévulinique : intermédiaire de la biosynthèse du tétrapyrrole ( hème , chlorophylle , cobalamine etc. ).
La raison pour laquelle les acides -aminés sont utilisés dans les protéines a été liée à leur fréquence dans les météorites et les expériences prébiotiques. Une première spéculation sur les propriétés délétères des acides -aminés en termes de structure secondaire s'est avérée erronée.
Acides D-aminés
Certains acides aminés contiennent la chiralité absolue opposée, des produits chimiques qui ne sont pas disponibles à partir de la machinerie normale de traduction/transcription ribosomique. La plupart des parois cellulaires bactériennes sont formées de peptidoglycane , un polymère composé de sucres aminés réticulés avec de courts oligopeptides pontés entre eux. L'oligopeptide est synthétisé de manière non ribosomique et contient plusieurs particularités dont les acides aminés D, généralement la D-alanine et le D-glutamate. Une autre particularité est que le premier est racémisé par une enzyme de liaison au PLP (codée par alr ou l'homologue dadX ), tandis que le dernier est racémisé par une enzyme indépendante du cofacteur ( murI ). Certaines variantes sont présentes, chez Thermotoga spp. La D-lysine est présente et dans certaines bactéries résistantes à la vancomycine, la D-sérine est présente ( gène vanT ).
Chez les animaux, certains acides aminés D sont des neurotransmetteurs.
Sans hydrogène sur le carbone
Tous les acides aminés protéinogènes ont au moins un hydrogène sur le carbone . La glycine a deux hydrogènes, et tous les autres ont un hydrogène et une chaîne latérale. Le remplacement de l'hydrogène restant par un substituant plus grand, tel qu'un groupe méthyle, déforme le squelette de la protéine.
Chez certains champignons, l'acide α-aminoisobutyrique est produit en tant que précurseur de peptides, dont certains présentent des propriétés antibiotiques. Ce composé est similaire à l'alanine, mais possède un groupe méthyle supplémentaire sur le carbone au lieu d'un hydrogène. Il est donc achiral. Un autre composé similaire à l'alanine sans hydrogène est la déhydroalanine , qui possède une chaîne latérale méthylène. C'est l'un des nombreux acides déshydroaminés naturels .
alanine
acide aminoisobutyrique
déhydroalanine
Stéréocentres d'acides aminés jumeaux
Un sous-ensemble d'acides aminés L-α est ambigu quant à laquelle des deux extrémités est le carbone . Dans les protéines, un résidu cystéine peut former une liaison disulfure avec un autre résidu cystéine, réticulant ainsi la protéine. Deux cystéines réticulées forment une molécule de cystine . La cystéine et la méthionine sont généralement produites par sulfurylation directe, mais chez certaines espèces, elles peuvent être produites par transsulfuration , où l' homosérine ou la sérine activée est fusionnée à une cystéine ou une homocystéine formant la cystathionine . Un composé similaire est la lanthionine , qui peut être considérée comme deux molécules d'alanine reliées par une liaison thioéther et que l'on trouve dans divers organismes. De même, l'acide djenkolique , une toxine végétale des haricots de jengkol , est composé de deux cystéines reliées par un groupe méthylène. L'acide diaminopimélique est à la fois utilisé comme pont dans le peptidoglycane et est utilisé comme précurseur de la lysine (via sa décarboxylation).
cystine
cystathionine
lantionine
Acide Djenkolique
Acide diaminopimélique
Acides aminés prébiotiques et biochimies alternatives
Dans les météorites et dans les expériences prébiotiques (par exemple l'expérience de Miller-Urey ), on trouve beaucoup plus d'acides aminés que les vingt acides aminés standard, dont plusieurs à des concentrations plus élevées que les acides aminés standard : il a été supposé que si la vie à base d'acides aminés devait apparaître en parallèle ailleurs dans l'univers, pas plus de 75 % des acides aminés seraient en commun. L'anomalie la plus notable est le manque d'acide aminobutyrique.
| Proportion d'acides aminés par rapport à la glycine (%) | ||
|---|---|---|
| Molécule | Décharge électrique | Météorite Murchinson |
| glycine | 100 | 100 |
| alanine | 180 | 36 |
| Acide α-amino-n-butyrique | 61 | 19 |
| norvaline | 14 | 14 |
| valine | 4.4 | |
| norleucine | 1.4 | |
| leucine | 2.6 | |
| isoleucine | 1.1 | |
| alloisoleucine | 1.2 | |
| t-leucine | < 0,005 | |
| Acide α-amino-n-heptanoïque | 0,3 | |
| proline | 0,3 | 22 |
| acide pipécolique | 0,01 | 11 |
| Acide α,β-diaminopropionique | 1.5 | |
| Acide α,γ-diaminobutyrique | 7.6 | |
| ornithine | < 0,01 | |
| lysine | < 0,01 | |
| l'acide aspartique | 7.7 | 13 |
| acide glutamique | 1.7 | 20 |
| sérine | 1.1 | |
| thréonine | 0,2 | |
| allothréonine | 0,2 | |
| méthionine | 0,1 | |
| homocystéine | 0,5 | |
| homosérine | 0,5 | |
| β-alanine | 4.3 | dix |
| Acide β-amino-n-butyrique | 0,1 | 5 |
| acide β-aminoisobutyrique | 0,5 | 7 |
| acide γ-aminobutyrique | 0,5 | 7 |
| acide α-aminoisobutyrique | 7 | 33 |
| isovaline | 1 | 11 |
| sarcosine | 12,5 | 7 |
| N-éthyl glycine | 6.8 | 6 |
| N-propylglycine | 0,5 | |
| N-isopropylglycine | 0,5 | |
| N-méthyl alanine | 3.4 | 3 |
| N-éthyl alanine | < 0,05 | |
| N-méthyl β-alanine | 1,0 | |
| N-éthyl β-alanine | < 0,05 | |
| isosérine | 1.2 | |
| Acide α-hydroxy-γ-aminobutyrique | 17 |
Chaîne latérale droite
Le code génétique a été décrit comme un accident gelé et les raisons pour lesquelles il n'y a qu'un seul acide aminé standard à chaîne droite (alanine) pourraient simplement être une redondance avec la valine, la leucine et l'isoleucine. Cependant, il est rapporté que les acides aminés à chaîne droite forment des hélices alpha beaucoup plus stables.
Glycine (chaîne latérale d'hydrogène)
Alanine (chaîne latérale méthyle)
Homoalanine ou acide α-aminobutyrique (chaîne latérale éthyle)
Norvaline ( chaîne latérale n- propyle)
Norleucine ( chaîne latérale n- butyle)
Homonorleucine ( chaîne latérale n- pentyle) (acide heptanoïque illustré)
Chalcogène
La sérine, l' homosérine , la O-méthyl-homosérine et la O-éthyl-homosérine possèdent une chaîne latérale hydroxyméthyle, hydroxyéthyle, O-méthyl-hydroxyméthyle et O-méthyl-hydroxyéthyle. Alors que la cystéine, l' homocystéine , la méthionine et l' éthionine possèdent les équivalents thiol. Les équivalents sélénol sont la sélénocystéine, la sélénohomocystéine, la sélénométhionine et la sélénoéthionine. On trouve également dans la nature des acides aminés avec le chalcogène suivant : plusieurs espèces telles que Aspergillus fumigatus, Aspergillus terreus et Penicillium chrysogenum en l'absence de soufre sont capables de produire et de s'incorporer dans les protéines de la tellurocystéine et de la tellurométhionine.
L'hydroxyglycine, un acide aminé avec une chaîne latérale hydroxyle, est très instable.
Code génétique étendu
Les rôles
Dans les cellules, en particulier les autotrophes, plusieurs acides aminés non protéinogènes sont trouvés comme intermédiaires métaboliques. Cependant, malgré la flexibilité catalytique des enzymes de liaison au PLP, de nombreux acides aminés sont synthétisés sous forme de céto-acides ( par exemple 4-méthyl-2-oxopenanoate en leucine) et aminés dans la dernière étape, gardant ainsi le nombre d'acides aminés non protéinogènes intermédiaires assez faibles.
L'ornithine et la citrulline interviennent dans le cycle de l' urée , qui font partie du catabolisme des acides aminés (voir ci-dessous).
En plus du métabolisme primaire, plusieurs acides aminés non protéinogènes sont des précurseurs ou la production finale du métabolisme secondaire pour fabriquer de petits composés ou des peptides non ribosomiques (comme certaines toxines ).
Incorporation post-traductionnelle dans la protéine
Bien qu'ils ne soient pas codés par le code génétique en tant qu'acides aminés protéinogènes, certains acides aminés non standard sont néanmoins présents dans les protéines. Ceux-ci sont formés par modification post-traductionnelle des chaînes latérales des acides aminés standards présents dans la protéine cible. Ces modifications sont souvent essentielles pour la fonction ou la régulation d'une protéine ; par exemple, dans le gamma-carboxyglutamate, la carboxylation du glutamate permet une meilleure liaison des cations calcium , et dans l' hydroxyproline, l' hydroxylation de la proline est essentielle au maintien des tissus conjonctifs . Un autre exemple est la formation d' hypusine dans le facteur d'initiation de la traduction EIF5A , par modification d'un résidu lysine. De telles modifications peuvent également déterminer la localisation de la protéine, par exemple, l'ajout de longs groupes hydrophobes peut amener une protéine à se lier à une membrane phospholipidique .
Acide carboxyglutamique. Alors que l'acide glutamique possède un groupe γ-carboxyle, l'acide carboxyglutamique en possède deux.
Hydroxyproline. Cet acide imino diffère de la proline en raison d'un groupe hydroxyle sur le carbone 4.
Hypusine . Cet acide aminé est obtenu en ajoutant au groupe ε-aminé d'une lysine un fragment 4-aminobutyle (obtenu à partir de spermidine )
-Pyroglutamic_acid_Structural_Formulae.png)
Il existe des preuves préliminaires que l' acide aminomalonique peut être présent, peut-être par mauvaise incorporation, dans la protéine.
Analogues toxiques
Plusieurs acides aminés non protéinogènes sont toxiques en raison de leur capacité à imiter certaines propriétés des acides aminés protéinogènes, comme la thialysine . Certains acides aminés non protéinogènes sont neurotoxiques en imitant les acides aminés utilisés comme neurotransmetteurs (c'est-à-dire pas pour la biosynthèse des protéines), par exemple l' acide quisqualique , la canavanine ou l' acide azétidine-2-carboxylique . La céphalosporine C a un squelette d'acide α-aminoadipique (homoglutamate) qui est amidé avec une fraction céphalosporine. La pénicillamine est un acide aminé thérapeutique, dont le mode d'action est inconnu.
Thialysine
Acide quisqualique
Canavanine
acide azétidine-2-carboxylique
Céphalosporine C
pénicillamine
-Azetidine-2-carboxylate.png)
Les cyanotoxines d'origine naturelle peuvent également comprendre des acides aminés non protéinogènes. La microcystine et la nodularine , par exemple, sont toutes deux dérivées de l' ADDA , un acide -aminé.
Pas d'acides aminés
La taurine est un acide amino sulfonique et non un acide amino carboxylique, cependant elle est parfois considérée comme telle car les quantités nécessaires pour supprimer l' auxotrophe chez certains organismes (par exemple les chats) sont plus proches de celles des "acides aminés essentiels" (auxotrophie des acides aminés) que des vitamines (auxotrophie cofacteur).
Les osmolytes, la sarcosine et la glycine bétaïne sont dérivés d'acides aminés, mais possèdent respectivement une amine secondaire et quaternaire.