Lorsqu'on apprend les acides aminés à travers les formules structurales, ils sont souvent dessinés sous une forme neutre telle que H2N-CH(R)-COOH. Cependant, dans l'eau et à pH physiologique, la plupart des acides aminés n'existent pas exclusivement sous cette forme. Au contraire, la forme zwitterion, dans laquelle le groupe amine accepte un proton pour devenir -NH3+ et le groupe carboxyle perd un proton pour devenir -COO-, devient importante.
Qu'est-ce qu'un zwitterion ?
Un zwitterion est une espèce chimique qui porte simultanément une charge positive et une charge négative au sein de la même molécule. Dans un acide aminé, le cas typique est celui où le groupe amine porte une charge positive et le groupe carboxyle porte une charge négative. Sous forme de formule structurale, on peut l'exprimer ainsi.
+H3N-CH(R)-COO-
| Notation | Forme | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Forme neutre (telle que dessinée dans les formules structurales) | H2N-CH(R)-COOH |
Souvent utilisée dans les schémas |
| Forme zwitterion (en solution aqueuse) | +H3N-CH(R)-COO- |
Forme dominante au pH physiologique |
Dans cette structure, comme les charges positives et négatives s'équilibrent sur l'ensemble de la molécule, la charge nette peut être nulle. Cependant, ce qui est important, c'est que cela ne signifie pas qu'il n'y a aucune charge ; au contraire, la molécule porte les deux charges en son sein.
Pourquoi les acides aminés deviennent des zwitterions
Pourquoi les acides aminés sont-ils enclins à devenir des zwitterions ? La raison réside dans les propriétés acide-base des groupes amine et carboxyle.
- Le groupe carboxyle est un groupe fonctionnel qui libère facilement un proton en tant qu'acide.
- Le groupe amine est un groupe fonctionnel qui accepte facilement un proton en tant que base.
En conséquence, un transfert de proton se produit au sein de la même molécule, et la forme dans laquelle le groupe carboxyle devient -COO- et le groupe amine devient -NH3+ est stable.
PubChem décrit le zwitterion de L-cystéinylglycine comme résultant d'un transfert de proton du groupe hydroxyle vers le groupe amine, et indique qu'il s'agit de la microespèce dominante à pH 7,3. Cela aide à comprendre que les acides aminés et les peptides dans l'eau tendent à exister sous forme de structures chargées plutôt que de simples structures neutres.
Effets des zwitterions sur les propriétés physiques
La présence de zwitterions affecte également les propriétés physiques des acides aminés. Bien qu'ils soient de petites molécules organiques, les acides aminés peuvent avoir des points de fusion relativement élevés. Cela est dû au fait que des interactions ioniques opèrent entre les molécules. Ils interagissent également facilement avec l'eau, et leur état de charge en solution aqueuse varie avec le pH.
Relation avec le point isoélectrique
Comprendre les zwitterions facilite également la compréhension du point isoélectrique. Au point isoélectrique, la charge nette de la molécule devient nulle, mais cela ne signifie pas qu'il n'y a pas de charge. Dans de nombreux cas, la molécule porte simultanément des charges positives et négatives qui s'équilibrent. Un article publié sur PMC définit le pI d'une protéine comme le pH auquel la charge nette est nulle, et explique que la protéine est chargée positivement à un pH inférieur au pI et négativement à un pH supérieur au pI.
pH et changements de l'état de charge
Lorsqu'on considère le zwitterion d'un acide aminé via une formule structurale, il faut également tenir compte de l'effet du pH.
| Condition de pH | Groupe carboxyle | Groupe amine | Charge globale |
|---|---|---|---|
| Fortement acide | -COOH |
-NH3+ |
Positive |
| Intermédiaire (proche du point isoélectrique) | -COO- |
-NH3+ |
0 (zwitterion) |
| Fortement basique | -COO- |
-NH2 |
Négative |
Le zwitterion est aussi la raison pour laquelle les acides aminés ne peuvent pas être traités simplement comme des « molécules neutres ». Même s'ils sont dessinés comme H2N-CH(R)-COOH dans une formule structurale, en solution aqueuse réelle, il faut considérer des formes telles que +H3N-CH(R)-COO-. Comprendre cette différence est utile pour apprendre la solubilité, le point isoélectrique, l'électrophorèse et la charge de surface des protéines.
Résumé
Un zwitterion d'acide aminé est une forme dans laquelle la même molécule porte simultanément des charges positives et négatives. Comme le groupe amine devient -NH3+ et le groupe carboxyle devient -COO-, des charges existent dans la molécule même lorsque la charge nette est nulle. Le concept de zwitterion est important pour comprendre les propriétés physiques des acides aminés, le point isoélectrique et la charge des protéines.
