Des acides aminés aux protéines. Agrégation 2015

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Analyse structurale par RMN
Les protéines sont des polymères d'acides aminés associés par liaison peptidique ; la formule générique des acides aminés est NH2-CHR-CO2H, le groupe R est un résidu de structure varaible que l'on nomme chaîne latérale. Le spectre RMN du proton de l'acide aspartique ( R = CH2-CO2H) présente les signaux suivants :
- singulet large à 11 ppm, intégration 2 ;
- triplet à 3,8 ppm ( J = 7 Hz), intégration 1 ;
- doublet à 2,7 ppm ( J = 7 Hz), intégration 2 ;
- singulet très large à environ 2 ppm, intégration 2.
10. Attribuer les signaux observés.
Singulet large à 11 ppm, intégration 2  : protons des deux groupes carboxyles.
Singulet très large à environ 2 ppm, intégration 2 : protons du groupe NH2.
Triplet à 3,8 ppm ( J = 7 Hz), intégration 1 : proton  - CHR-  couplé avec les deux protons voisins ( -CH2-CO2H).
Doublet à 2,7 ppm ( J = 7 Hz), intégration 2 : protons  - CH2-  couplés avec le  proton voisin ( -CH-R).
11. Peut-on détecter les atomes de carbone par RMN et à quelle(s) condition(s) ?
Le carbone 12 ne possède pas de spin nucléaire, on ne peut pas le détecter en RMN. Par contre le carbone 13 13C possède un spin nucléaire ½ ( abondance naturelle 1,1 %) , on peut le détecter en RMN 13C. Elle est moins sensible que la RMN 1H ( abondance naturelle faible du 13C et rapport gyromagnétique égale à 1/4 de celui du proton ). Ajoutons une difficultés supplémentaire : la présence de fort couplage avec les protons des hydrogènes liés.
Des techniques de découplage permettent la suppression de ces éclatements et les spectres RMN 13C présentent des raies uniques, les couplages entre carbone 13 étant inexistants du fait de la faible abondance naturelle.

12. Résolution et analyse d'un exercice d'un manuel de terminale S.( Nathan, collection Sitrus ,2013 ).

Le spectre RMN d'un bromoalcane A ( C4H8Br2 ) présente deux signaux à 1,8 ppm ( intégration  6 ) et 3,8 ppm ( intégration 2 ). Le spectre de RMN du proton d'un chloroalcane B ( C5H11Cl ) présente deux signaux à 1,1 ppm ( intégration 9 ) et un signal à 3,3 ppm ( intégration 2 ).
Identifier les protons équivalents.
A : le signal à 1,8 ppm correspond à 6 protons équivalents, sans doute deux groupes méthyle CH3 situés en a et en ß de l'atome de brome électronégatif.
Le signal à 3,3 ppm correspond à 2 protons équivalents, sans doute deux groupes -CH-.
B : le signal à 1,1 ppm correspond à 9 protons équivalents, sans doute trois groupes méthyle CH3.
Le signal à 3,3 ppm correspond à 2 protons équivalents, sans doute un groupe -CH2-.
- Relier les déplacements chimiques à la structure de la molécule.
3,3 ppm : le carbone doit porter un atome d'halogène Cl ou Br
.
1,8 ppm : le carbone en a du groupe CH3 doit porter un halogène ; 1,1 ppm : le carbone en a des groupes CH3 ne doit pas porter d'halogène.
- Proposer une formule semi-développée et indiquer la multiplicité attendue pour chaque signal.
A : H3C-CHBr-CHBr-CH3.
Le signal des protons des groupes méthyles est un doublet ( un proche voisin) et celui des protons deux autres protons un quadruplet ( 3 proches voisins ).
B : (CH3)3 C-CH2Cl.
Les signaux observés sont des singulets ( les carbones en a ne portent aucun proton).
-  Proposer des améliorations à cet exercice.
Ajouter une table simple des déplacements chimiques.
Ajouter une question : prévoir le spectre RMN ( nombre de signaux, courbe d'intégration et multiplicité) d'une molécule telle que
(CH3)2 CH-CH2Cl.




Peptides et protéines.
13. Ecrire l'équation de la réaction d'autocondensation de l'alanine pour former un dipeptide. Quelle est la fonction chimique formée dans cette réaction ?

Un groupe amide ( liaison peptidique ) est formé.
14. Représenter les formes mésomères d'une liaison peptidique. Citer deux conséquences physico-chimiques de la délocalisation des électrons du système p dans le cas de la liaison peptidique.

La liaison carbone-azote a un caractère de double liaison marqué ( longueur 133 pm, intermédiaire entre une liaison simple et une liaison double ; système plan ; pas de rotation possible autour de la liaison ).
Les groupes R sont situés en position trans du fait de la gène stérique en position cis.
15. Quels seraient tous les dipeptides formés dans un milieu contenant un mélange équimolaire d'alanine et de valine ?

- Quelle(s) solution(s) est (sont) mise(s) en jeu pour orienter la synthèse peptidique ?
Il faut bloquer de façon permanente les fonctions réactives éventuellement portées par les groupes R1 et R2. Il faut savoir enlever ces groupements protecteurs des fonctions latérales avec un rendement proche de 100 %. Cette déprotection s'effectue en fin de synthèse, lors de la séparation du peptide du support solide.
Il faut également bloquer la fonction amine de l'un des acides a-aminés et le groupe acide carboxylique de l'autre acide a-aminé.
Il faut activer ( par formation d'un ester ) la fonction carboxyle COOH qui doit réagir.
16. La polycondensation d'acides aminés différents conduit à des chaînes polypeptidiques ( protèines) dans un organisme vivant. En tant que polymères, les protéines possèdent un motif ( unité de répétition ). Indiquer la structure de ce motif. 
"Unité de répétition" dans le cas des polymères correspond àla répétition d'un motif élémentaire.
Dans le cas des protéines, les motifs diffèrent par les chaînes latérales.
17. Une protéine est une macromolécule biologique constituée d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. Les protéines remplissent les fonctions de :
- structure qui permettent aux cellules de maintenir leur organisation spatiale ;
- transport : transfert de molécules à l'intérieur et à l'extérieur des cellules ;
régulation : contrôle de l'activité d'autes protéines ;
signalisation : capture de signaux extérieur et transmission dans la cellule.
18. Les chaînes polypeptidiques se replient pour former des structures dans l'espace ( structure tertiaire des protéines ). Citer et décrire brièvement les différentes interactions à l'origine de la structure tridimensionnelle des protéines.
Liaisons de covalence :  la liaison peptidique est responsable dela formation du squelette carboné ; les ponts disulfures sont caractéristiques de la structure tertiaire.
Liaisons ioniques : attraction entre deux groupes polaires de charges opposées ( groupe carboxyle et groupe azoté ) .
Liaisons hydrogène : deux atomes électronégatifs se partagent inégalement un atome d'hydrogène.
Forces de van der Walls agissant à courte distance elles font apparaître un grand nombre de dipoles transitoires.
Interactions hydrophobes entre molécules non polaires.

.



Hydrolyse des protéines.
L'hydrolyse des protéines conduit aux acides aminés. Cette hydrolyse est réalisée au laboratoire en milieu acide ( chauffage à 100 °C pendant 12 heures dans l'acide chlorhydrique à 6 mol/L ) ou en milieu basique.

19. Quelle grande famille de mécanisme de chimie organique l'hydrolyse des amides permet-elle d'illustrer ?
Addition nucléophile sur le carbone du groupe amide protoné en milieu acide. Addition-élimination.
20. Pourquoi l'hydrolyse des amides n'est-elle pas observable en milieu neutre ?
L'atome de carbone du groupe amide est peu électrophile et l'ion amidure est un mauvais nucléofuge. L'hydrolyse est très lente.
- Quelles modifications apportent respectivement le milieu acide et le milieu basique sur la réactivité des espèces ou des sites mis en jeu ?
L'oxygène du groupe C=O de la fonction amide est protoné en milieu acide ce qui a pour effet d'exalter le caractère électrophile du carbone.
Les solutions chaudes d'hydroxydes sont suffisamment nuléophiles pour attaquer le carbone du groupe carbonyle d'un amide.
21. Sous quelle forme se trouvent les acides aminés à l'issue d'une hydrolyse acide d'une protéine ?
A pH inférieur à 2, les acides aminés se trouvent sous la forme :
22. Donner le mécanisme  de l'hydrolyse du N-méthyléthanamide en milieu basique.


23. Lors de l'hydrolyse des protéines en milieu basique, les acides aminés porteurs d'un atome de carbone stéréogène sont obtenus à l'issue de cette hydrolyse sous la forme d'un mélange équimolaire de deux énantiomères. Ce phénomène n'est pas observé lors de l'hydrolyse en milieu acide. Proposer une explication.
Une déprotonation lente du carbone en a de la fonction amide est possible en milieu basique. Ce carbanion(detype énolate)  plan est stabilisé  par délocalisation sur la fonction amide.
La reprotonation put s'effectuer de l'un ou l'autre côté du plan ; l'hydrolyse conduit alors à un racémique.

24. A l'issue d'une hydrolyse en milieu basique d'une protéine, on extrait un acide aminé de formule brute C3H7NO2. Identifier cet acide aminé et indiquer sous quelle(s) forme(s) il se trouve dans l'extrait.
H3C-CH NH2 -COOH.
En milieu basique les formes suivantes ( avec R = CH3) prédominent.



Hydrolyse de l'aspartame. ( TP terminale ST2S).
Dans l'estomac l'hydrolyse se déroule rapidement grâce à des enzymes. Au laboratoire l'hydrolyse s'effectue à chaud et en milieu acide chlorhydrique qui joue le rôle de catalyseur.
Compétences :
Compléter le schéma du montage à reflux ; mettre en oeuvre un dispositif expérimental correspondant à un protocole donné ;
identifier les risques et respecter les règles de sécurité.
Protocole :
Introduire 2 comprimés d'aspartame et 20 mL d'acide chlorhydrique à 1 mol / L dans un ballon de 100 mL. Agiter jusqu'à dissolution des comprimés.
Placer le ballon sur le chauffe ballon et y adapter un réfrigérant à eau vertical.
Mettre en route la circulation d'eau froide ( entrée en bas ). Porter à ébullition et maintenir une ébullition douce pendant 30 minutes.
Arrêter le chauffage, couper la circulation d'eau et laisser refroidir.
Sortir le ballon, le refroidir sous l'eau du robinet et transvaser le contenu dans un erlenmeyer de 100 mL ; ajouter de l'hydrogénocarbonate de sodium en agitant jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de dégagement de CO2. Le milieu réactionnel est neutre : le contrôler à l'aide de papier pH.
Questions :
Légender le montage. Quel est le rôle de l'acide ? Pourquoi faut-il chauffer le mélange ?  Que signifie l'expression à reflux ? Quel est le rôle du réfrigérant ?  Quel est l'ion nommer hydrogénocarbonate ? Est-il acide ou basique ? Pourquoi ajoute t-on de l'hydrogénocarbonate de sodium ?
Qu'estce qu'une réaction d'hydrolyse ? Ecrire l'équation de la réaction d'hydrolyse.
Identifier les produits de l'hydrolyse de l'aspartame par CCM.
Protocole :
Verser l'éluant dans la cuve sur une hauteur de 5 mm ; boucher et attendre 10 minutes que la cuve soit saturée en vapeurs de solvant.
En portant des gants, tracer au crayon une ligne fine à environ 1 cm en bas de la plaque et numéroter les positions prévues pour les taches d'échantillon.
Prélever à l'aide d'une pipette Pasteur une petite quantité de chaque échantillon ( aspartame hydrolysé, phénylalanine, acide aspartique ).
Déposer les échantillons sur la ligne tracée sur la plaque.
Placer la plaque dans la cuve ( ligne de départ vers le bas ) et reboucher. Retirer la plaque de la cuve lorsque la ligne frontale a parcouru au moins les deux tiers de la hauteur de la plaque.
Reprérer la hauteur maximale H atteinte par le solvant. Sécher la plaque au sèche-cheveux.
Sous la hotte, vaporiser la plaque sèche, horizontale, avec le révélateur.
Sécher à nouveau la plaque et noter les valeurs h des hauteurs atteintes par chaque échantillon.
Questions :
Pourquoi utiliser un crayon de papier et non un stylo à encre ?  Quel est le double rôle de l'éluant ? A quoi sert le révélateur ? Définir rapport frontal. Que nous apprend cette chromatographie ? Quel produit de l'hydrolyse n'est pas mis en évidence par cette CCM ?



  

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