La synthèse peptidique des peptides

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1 La synthèse peptidique des peptides Les peptides sont les longues chaînes moléculaires qui composent les protéines. Les peptides synthétiques sont utilisés soit en tant que médicaments (tels qu'ils sont biologiquement actifs) ou dans le diagnostic de la maladie. Les peptides sont difficiles à synthétiser car le chimiste de synthèse doit s assurer que les acides aminés qui composent la chaîne sont ajoutés dans le bon ordre et qu'ils ne subissent pas d'autres réactions. Ceci implique l'ajout d'un acide aminé, l élimination de tout acide n ayant pas réagi puis l ajout du suivante et ainsi de suite. Comme on peut l'imaginer, cela prend beaucoup de temps et ne donne très faible les rendements. Une technique qui a été récemment mis au point consiste à fixer une extrémité du peptide à un polymère solide, ce qui signifie que le peptide ne sera pas éliminé avec l'excès d'acide lors du lavage. C est beaucoup plus rapide que la synthèse classique, et conduit à des rendements considérablement améliorés. Le procédé comprend cinq étapes réalisées de manière cyclique. Étape 1 - Installation d'un acide aminé au polymère L' amino-acide est mis à réagir avec une molécule connue comme un "agent de liaison " qui lui permet de se fixer à un polymère solide, et l'autre extrémité de l'agent de liaison est mis à réagir avec le support polymère. Étape 2 - Protection Un acide aminé est un acide avec un groupe amino à une extrémité et un groupe acide à l'autre. Pour empêcher un acide aminé de réagir avec lui-même, l'un de ces groupes est mis à réagir afin de le rendre non réactif. Étape 3 - Couplage L'acide aminé protégé est ensuite mis à réagir avec l'acide aminé attaché au polymère pour commencer à construire la chaîne peptidique. Étape 4 - Déprotection Le groupe de protection est maintenant retiré de l'acide en bout de chaîne de sorte qu'il peut réagir avec un nouvel acide à ajouter. Le nouvel acide est ensuite protégé (étape 2) et le cycle D allongement de la chaîne continue jusqu'à ce que la longueur requise ait été synthétisé. Étape 5 - Retrait du polymère Une fois le peptide souhaité synthétisé, la liaison entre le premier acide aminé et l agent de liaison est brisé pour donner le peptide libre. C. Saury PC Page 1 sur 10

2 INTRODUCTION Un peptide est une chaîne d'acides appelées acides aminés liés entre eux par des liaisons appelés des liaisons peptidique. Une protéine se compose d'un peptide plié d'une manière particulière, ou plusieurs peptides pliées ensemble. Ces peptides sont synthétisés très rapidement dans les cellules vivantes, mais jusqu'à récemment, ne pouvait être synthétisé artificiellement pour de longues chaines, des processus lents, de faibles rendements et qui donnaient des produits impurs étaient mis en jeu. Récemment, une nouvelle technique connue sous le nom de synthèse peptidique en phase solide (SPPS) a été développé. SPPS donne des rendements élevés de produits purs et fonctionne plus rapidement que la synthèse classique, bien que toujours beaucoup plus lentement dans les cellules. Cette technique est décrite ci-dessous. Utilisation de peptides synthétiques Les peptides synthétiques ont deux utilisations principales : les médicaments comportant des peptides et les peptides appliqués pour diagnostic. Médicaments peptidiques Les médicaments peptidiques sont soit peptides naturels soit des peptides naturels modifiés. il y a de nombreux peptides qui sont biologiquement active naturellement. Si un patient ne peut naturellement produire un peptide dont il a besoin, ce peptide peut être synthétisé et ingéré. De plus, les acides aminés dans un peptide actif peuvent être modifiés pour obtenir des analogues du peptide d'origine. Si l'analogue est biochimiquement plus actif que le peptide original, il est appelé agoniste et si il a l'effet inverse, il est appelé antagoniste. Les contraceptifs ont été faits par la synthèse des peptides antagonistes de la fertilité. peptides de diagnostic Des peptides ont été conçus pour changer de couleur sous certaines conditions, et peuvent être utilisées à des fins de diagnostic. Par exemple, un substrat de peptide chromogène peut facilement détecter la présence, l'absence et la variation des taux d'enzymes qui contrôlent la tension artérielle et le flux sanguin, indiquant la capacité de coagulation. Introduction à la chimie des protéines Les peptides sont des polymères d'acides aminés faits en utilisant de deux à plusieurs centaines de amino-acides. Elles sont toutes basées sur la structure de l'acide α aminoacides : Il y a vingt acides aminés qui se produisent couramment dans la nature (tableau 1 ) et de nombreux autres ont été synthétisés. C. Saury PC Page 2 sur 10

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4 Ces peptides (ou des combinaisons d'entre eux) se replient de façon caractéristiques pour donner des protéines. Dans tous les mammifères, tous les acides aminés optiquement actifs sont sous la forme (L), donc un changement qui peut être faite est de substituer un acides aminé (L) pour un des acides aminés (D) dans la chaîne. 1 La structure complète de la proline (plutôt que seulement le substituant) est donnée parce proline est cyclique et ne présente pas de chaîne latérale en tant que tel. 2 Quand une molécule est exposée à une lumière polarisée rectilignement, certaines molécules font tourner le plan de polarisation de la lumière. Ces molécules sont appelés optiquement active. Chaque molécule optiquement active présente une image dans un miroir qui ne peut pas être superposée sur l'original et qui fait tourner la plan de polarisation de la lumière de la même quantité dans la direction opposée. Dans glycéraldéhyde (une molécule optiquement actif), la forme qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière vers la gauche est appelé L-glycéraldéhyde ( du grec laevo, ce qui signifie à gauche) et l'autre forme est appelé D-glycéraldéhyde ( du latin dexter, ce qui signifie à droite). Pour les acides aminés, la forme qui ressemble à L-glycéraldéhyde est le 'L Forme de l'acide aminé et la forme qui ressemble à R-glycéraldéhyde est connu comme le D' forme, quelle que soit la façon dont ils font tourner le plan de la lumière polarisée. Tous les acides aminés d'origine naturelle, à l'exception de la glycine sont optiquement actifs. C. Saury PC Page 4 sur 10

5 Les liens entre les acides aminés sont appelés liaison peptidique. Ce sont des liens forts mais ils peuvent être hydrolysée soit par un acide fort ou une base forte, ce qui signifie que seules les substances neutres et acides ou bases faibles peuvent être utilisées dans la synthèse des peptides. Synthèse peptidique en PHASE SOLIDE La synthèse des peptides est beaucoup plus compliqué que de former des liaisons amide simplement en mélangeant le acides aminés souhaitée ensemble dans un tube à essai. Avec vingt acides aminés naturels et un certain nombre d entre eux non naturels sont mis en jeu, les combinaisons possibles sont nombreuses. Cette complexité rend la synthèse de peptides à la fois fascinante et stimulante. Si deux solutions contenant des acides aminés sont mélangées ensemble, quatre dipeptides différents ( ainsi que d'autres peptides plus longs ) sera formé. (par exemple, pour un mélange de glycine et d'alanine quatre dipeptides seraient glygly, glyala, alagly, alaala. Dans cette représentation, le groupe amino libre ou groupe N-terminal se trouve sur la gauche de l'acide aminé et le groupe acide carboxylique libre ou C-terminal est à l'extrémité de droite. ). Afin de s assurer que seul le dipeptide désiré est formé le groupe de base d'un acide aminé et le groupe acide de l'autre doit à la fois être incapable à réagir. Cette «désactivation» est appelé protection de groupes réactifs, et un groupe qui est incapable de réagir est appelé groupe protégé. Dans la synthèse organique classique, les acides sont protégés, puis mis à réagir et déprotégé, puis une extrémité du dipeptide est protégé et mis à réagir avec un nouvel acide protégé et ainsi de suite. Dans SPPS l'acide aminé qui sera à une extrémité du peptide est attaché à un polymère insoluble dans l'eau et restera protégé tout au long de la synthèse du peptide, ce qui signifie à la fois que moins d étapes de protection / déprotection sont nécessaires et que les réactifs peuvent facilement être rincés sans perdre du peptide. Étape 1 - fixation d'un acide aminé au polymère Les chaînes peptidiques ont deux extrémités, connus respectivement comme le N-terminal et C-terminal 3 et pour savoir laquelle des extrémités est fixée au polymère cela dépend du polymère utilisé. Cet article suppose que les billes de polyamide sont utilisées et par conséquent que le C-terminal du peptide est attaché au polymère. La fixation est réalisée en faisant réagir l'acide aminé avec un agent de liaison et puis en faisant réagir l'autre extrémité de l'agent de liaison avec le polymère. Cela signifie qu'une liaison polyamide peut être formée et elle ne sera pas hydrolysée pendant les réactions ultérieures de formation du peptide. Des agents de liaison communs sont des benzènes di- et tri -substitués tels que ceux indiqué ci-dessous : Ces agents lient alors l'acide aminé C -terminale et la résine de la façon suivante : 3 L' extrémité N-terminale est l'extrémité qui a un NH2 libre et le groupe C-terminale est l' extrémité qui a un groupe carboxyle libre. C. Saury PC Page 5 sur 10

6 Étape 2 Protection L acide aminé suivant doit aussi avoir son groupe amino protégé pour éviter les acides ne réagissnet les uns avec les autres. Ceci est réalisé en la protégeant avec FMOC ( 9 - fluorenylmethoxy- carbonyl). En outre, tout groupe latéral des acides aminés qui sont aromatiques, acides, basiques ou fortement polaires sont susceptibles d' être réactif (voir Tableau 1). Ceux-ci doivent également être protégés pour éviter aux chaînes ramifiées indésirables de se former. Il existe quatre principaux groupes utilisés de cette manière : tbu ( un groupe tertiobutyle), Trt (groupe triphenylmethyl), tboc (groupe tertiobutyloxycarbonyle) et PMC (groupe 2,2,5,7,8 - pentaméthylchroman -6- sulfonyle ). Des exemples de groupe carboxyle protégé par FMOC et des exemples des différents types de protection de la chaîne latérale sont donné ci-dessous. C. Saury PC Page 6 sur 10

7 Étape 3 Couplage L'acide aminé protégé par le groupe FMOC est ensuite mis à réagir avec le dernier acide aminé attaché à la polyamide. La réaction est catalysée par le DCC (1,3 dicyclohexylcarbodiimide), qui est lui-même réduit en 1,3- dicyclohexylurée (produit final solide après élimination). On forme de manière intermédiaire la O-acylurée, plus réactive que l acide carboxylique. La réaction est représentée sur la Figure 1 (RCOOH représente l' acide protégé par FMOC et H2NR représente l'extrémité réactive de la chaîne peptidique ). C. Saury PC Page 7 sur 10

8 Étape 4 - Déprotection L'excès de DCC est éliminé par lavage le polymère insoluble dans l'eau, puis le groupe FMOC éliminé avec de la pipéridine (une amine secondaire cyclique). Il se agit d'une réaction d' amidification trans. Les étapes 2 à 4 sont répétées à mesure que chaque acide aminé est ajouté sur la chaîne jusqu'à ce que le désiré peptide a été formé. Étape 5 - retrait du polymère Une fois que le peptide est complet, il doit être retiré du polyamide. Pour ce faire, le clivage du polyamide est réalisé avec un solution d'acide trifluoroacétique (TFA )à 95 %. Les groupes protecteurs des chaînes latérales sont également retirés à ce stade. C. Saury PC Page 8 sur 10

9 AVANTAGES du SPPS Le principal avantage de SPPS est son rendement élevé. Comme les peptides sont constitués de nombreux acides aminés, si le rendement de chaque addition d'acides aminés est bien inférieur à 100 %, les rendements globaux des synthèses peptidiques sont négligeables. Par exemple, si chaque addition d'acides aminés a un rendement de 90 %, le rendement global d'un peptide de 50 acides aminés n est que de 0,5%. Les techniques les plus modernes de SPPS pousse les rendements à plus de 99,99 %, donnant un rendement global de plus de 99 %, pour un peptide comportant 50 acides-aminés. La SPPS est également beaucoup plus rapide que la synthèse classique, étape par étape en solution. Avec SPPS, un20 peptide d'acides aminés peuvent être synthétisés en une période de 24 heures et des chaines plus longues en moins d'une semaine. Avec l'avènement des synthétiseurs automatisés et sophistiqué d'analyse et du matériel de purification, le chimiste peut maintenant faire des peptides d une longueur de 20 à 50 acides aminés et en quantités non négligeable de 20 à 100 milligrammes. C est souvent plus qu assez pour les biochimistes et les biologistes pour mener de vastes études pilotes. Si de très grandes quantités de peptide sont nécessaires (par exemple pour la production industrielle de médicaments peptidiques), cette vitesse est sacrifiée à la pureté. Toutefois, les taux de production sont encore élevés, et des centaines de grammes de peptide peuvent être produit sur un kg de polymère par an. Comme souvent seulement milligrammes de polymère sont nécessaires à chaque fois, ce qui représente des centaines de milliers de doses. C. Saury PC Page 9 sur 10

10 Questions : 1. a) Définir un peptide et une protéine. En quoi diffèrent-ils? b) Citer quelques-uns de leurs rôles biologiques. c) Définir une liaison peptidique. Quelle est sa géométrie? 2. Protections Activations Souvent, en synthèse peptidique, la fonction amine d un des acides aminés est bloquée par un groupement t-butoxycarbonyle (appelé Boc) et l'étape de couplage utilise la méthode dite des "esters activés" dont l'un des exemples phares est la méthode au DCC-HOBt. a) Réaction de protection par le groupe Boc a1) Préciser le comportement électrophile ou nucléophile de chacun des réactifs. a2) Proposer un mécanisme pour cette réaction en milieu basique. a3) Proposer un mécanisme pour l'étape de déprotection. b) Couplage au DCC-HOBt b1) Proposer un mécanisme pour la formation de la O-acylurée. b2) Pourquoi le carbonyle de la O-acyl urée formée est-il plus réactif que le carbonyle d une fonction acide carboxylique? b3) de quel type de mécanisem s agit-il? b4) Justifier pourquoi l'étape de couplage est quantitative (ou presque). 3. Synthèse en phase solide On désire synthétiser le dipeptide Val-Ala par synthèse en phase solide (pour Val= valine, R = CHMe2 et pour Ala= alanine, R = Me). On dispose de la résine de Merrifield, copolymère styrène-divinylbenzène dont certains cycles contiennent le substituant CH2 Cl. Pour simplifier le raisonnement, la résine sera notée Res CH2 Cl. a) Quel amino-acide accroche-t-on en premier sur la résine? Justifier. b) Proposer des conditions opératoires pour cette étape d'accrochage et écrire son mécanisme. 4. Stratégie globale de synthèse peptidique On désire synthétiser un peptide constitué de 60 amino-acides. Les AA protégés sur la fonction amine ainsi que sur leurs chaînes latérales sont commerciaux. Pour chaque résidu, on suppose que la séquence "activation de COOH - couplage - déprotection de NH2" a un rendement de 98%. Calculer le rendement de synthèse si on utilise une synthèse séquentielle. Commenter. C. Saury PC Page 10 sur 10