Chapitre 2 : Synthèse d’un lipide hémifluoré et étude de cristallisation 2D de
B. Les amphiphiles faciaux
6. Les amphiphiles faciaux basés sur des molécules hôtes utilisées en chimie
Les calix-[n]-arènes représentent, avec les éthers couronnes et les cyclodextrines, l’un des trois groupes majeurs de molécules hôtes synthétiques en chimie supramoléculaire43 qui ont été largement étudiées pour leur capacité à complexer de petites molécules et des ions à l’interface air-eau44. Cette plateforme a également été utilisée dans la conception d’amphiphiles faciaux (Figure 3-11).
Par exemple, la série de para-acylcalix-[4]-arènes de type A forme des films stables bien que l’aire occupée par ces molécules à l’interface soit pratiquement invariable en fonction de la longueur des chaînes alkyles R45. Ce résultat est d’ailleurs en contradiction avec ceux obtenus sur des cyclodextrines amphiphiles qui montrent, elles une aire occupée dépendante de la longueur des chaînes hydrophobes greffées46.
43 H.-J. Schneider and A. Yatsimirsky, « Principles and Methods in Supramolecular Chemistry », John Wiley & Sons, Chichester, 2000.
44 P. Shahgaldian and A.W. Coleman, Langmuir, 2001, 17, 6851-6854.
45 P. Shahgaldian, M. Cesario, P. Goreloff and A.W. Coleman, Chem. Commun., 2002, 326-327.
46 P. Zhang, H. Parrot-Lopez, P. Tchoreloff, A. Bazkin, C.-C. Ling, C. De Rango and A.W. Coleman, J. Phys.
OH
OH HO
OH
ROC COR COR ROC
R = CH3(CH2)n n = 4, 6, 8,10
A
B
Figure 3-21 : Amphiphiles faciaux basés sur une plateforme de type calix-[4]-arène.
Cette base rigide a aussi été utilisée pour préparer le dendro-calixarène amphiphile B possédant des têtes polaires chargées stériquement encombrantes et une partie hydrophobe considérablement plus petite en volume. Cette composition structurale lui donne la forme d’un T qui suivant les hypothèses de Israelachvili47, conduisent à la formation de petits agrégats micellaires fortement courbés plutôt qu’à de larges auto-assemblages faiblement courbés48.
II. Objectif du travail
Nous avons vu que les tripodes amphiphiles synthétisés par le groupe de Gellman étaient capables de maintenir en solution efficacement les protéines membranaires sous une forme native pendant plusieurs semaines, ce qui fait d’eux des candidats très prometteurs à la cristallisation 3D des protéines membranaires49 (Figure 3-12).
La longueur réduite de ces trois groupements hydrophobes permet d’éviter les interactions dénaturantes de la molécule tripode avec la protéine, tandis que la multiplication des motifs apolaires conduit à une liaison efficace au domaine transmembranaire tout en diminuant les degrés de liberté (et donc d’insertion dans la protéine) de chacun des bras hydrophobes. Cette approche nous semble particulièrement prometteuse. Dans cette optique,
47 J.N. Israelachvilli, « Intermolecular and Surface Forces », Academic Press, New York, 1985.
48 M. Kellermann, W. Bauer, A. Hirsch, B. Schade, K. Ludwig and C. Böttcher, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2959-2962.
49
nous nous proposons de synthétiser de nouvelles molécules amphiphiles multifonctionnalisées par des groupements polaires et apolaires à travers l’utilisation d’une plateforme aromatique telle que le benzène.
N H O O O O OH OH HO OH O OH OH HO OH Groupement hydrophile Groupement hydrophobe
Figure 3-23 : Schématisation de la structure des tripodes amphiphiles.
Il est bien connu maintenant que l’hexaéthylbenzène (HEB) adopte un réseau conformationnel préférentiel visant à minimiser les interactions coopératives entre les groupements éthyles vicinaux de façon à les orienter sur les faces opposées du noyau aromatique de manière alternée. Il en résulte une ségrégation faciale 1,3,5/2,4,6 des substituants par rapport au plan du cycle aromatique50 (Figure 3-13).
D3d
Figure 3-25 : Représentation de la conformation alternée pour l’hexaéthylbenzène et un noyau aromatique
persulfuré. Notez la ségrégation faciale alternée des substituants par rapport au plan de la molécule.
Il a d’ailleurs été démontré en RMN que la conformation alternée D3d était prédominante en solution à des concentrations supérieures à 99%. Cette observation a également été vérifiée dans le cas de noyaux aromatiques persulfurés51.
50 D.J. Iverson, G. Hunter, J.F. Blount, J.R. Damewood and K. Mislow, J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 6073-6083.
51
Les benzènes persubstitués ont pour cette raison été intensément utilisés dans des applications de reconnaissance moléculaire ou comme bloc de construction pour la conception d’auto-assemblages en chimie supramoléculaire52.
Dans un contexte visant à stabiliser des protéines membranaires en solution aqueuse sous leur forme native, nous proposons de synthétiser une nouvelle classe d’amphiphiles baptisée « tripode amphiphile facial » (Figure 3-14).
X X X R X X X R R tête hydrophile R = chaîne hydrophobe
Figure 3-27 : Représentation schématique de la structure des tripodes amphiphiles faciaux .
La plateforme rigide du noyau aromatique sera mise à profit ici pour apporter l’amphiphilie via une ségrégation faciale en introduisant sélectivement des têtes hydrophiles sur les positions 1,3,5 et des parties hydrophobes sur les positions 2,4,6.
Pour limiter les phénomènes d’encombrement stérique sur le cycle aromatique, une ségrégation des substituants situés sur les positions 1,3,5 et 2,4,6 entre les deux faces du plan de la molécule doit en effet s’opérer.
Ces substituants étant de nature hydrophile et hydrophobe, cette ségrégation va conférer à la molécule des propriétés amphiphiles. La multiplication des parties hydrophobes permet de plus, de limiter la longueur des chaînes hydrophobes tout en préservant les capacités amphiphiles du composé. Cette propriété est évidemment essentielle pour les applications en protéomique, les tensioactifs possédant des chaînes carbonées moins longues auront l’avantage, comme on l’a suggéré, de ne pas avoir de caractère intrusif vis-à-vis du domaine transmembranaire de la protéine et seront donc moins dénaturants.
L’utilisation d’un cycle aromatique central permet d’une part, d’apporter via sa structure plane la ségrégation faciale et d’autre part, les six carbones du benzène
52
P. Prinz, A. Lansky, T. haumann, R. Boese, M. Noltemeyer, B. Knieriem and A. de Mejere, Angew. Chem.,
1997, 109, 1343-1346 ; G. Hennrich, V.M. Lynch and E.V. Anslyn, Chem. Commun., 2001, 2436-2437 ; M.
Mayor, J.-M. Lehn, K.M. Fromm and D. Fenske, Angew. Chem., 1997, 109, 2468-2471 ; H.A.M. Biemans, A.E. Rowan, A. Verhoeven, P. Vanoppen, L. Latterini, J. Foekema, A.P.H.J. Schenning, E.W. Meijer, F.C. de Schreyver and R.J.M. Nolte, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 11054-11060.
théoriquement tous fonctionnalisables vont générer la multiplication fonctionnelle indispensable à la synthèse de ces tripodes faciaux amphiphiles.
Le travail a donc consisté à mettre au point une voie de synthèse efficace permettant une modulation et une fonctionnalisation aisée des faces hydrophiles et hydrophobes de ces molécules amphiphiles tripodales. Nous avons aussi choisi d’introduire des têtes non ioniques en raison de leur caractère moins dénaturant lors de la manipulation des protéines membranaires.
Les propriétés d’association des tensioactifs utilisés en protéomique ayant une influence considérable sur les propriétés fonctionnelles ou structurelles des protéines membranaires, nous nous efforcerons donc d’étudier les propriétés amphiphiles de cette nouvelle famille de composés amphiphiles dans un troisième chapitre.