Les pseudo-prolines trifluorométhylés

Les pseudoprolines (Ѱ-Pro, Figure 2) ont été très utilisées en synthèse peptidique, notamment pour la synthèse de peptide hydrophobes car elles permettent d’inhiber les phénomènes d’auto-association/d’agrégation.³⁰ Suite à ces observations, des études par RMN ont permis de mettre en évidence que la présence de pseudoprolines abaissait de 1-2 kcal/mol la barrière d’énergie de l’isomérisation cis-trans comparé à la proline.^31,32 Dans le cadre de la conception de peptides CMP, le remplacement des résidus proline et/ou hydroxyproline par des analogues pseudoproline apparait très intéressant car le passage de l’isomère cis à trans est une étape limitante pour la formation de la triple hélice de collagène. Il a été suggéré que

162 la baisse de la barrière d’énergie serait due à la diminution de la densité d'électrons de la liaison peptidique (effet inductif de l’oxygène) et aux différents plissements de cycle imposés par la substitution d'hétéroatomes. Kang et al. ont alors réalisé des études comparatives entre des dipeptides Ac-Pro-NHMe, Ac-Hyp-NHMe et Ac-ѰPro-NHMe par DFT (Density Functional Theory), les populations pour chaque état correspondant à un minimum local sont présentées dans le Tableau 2.^33,34 On observe alors que, d’après les calculs théoriques, l’insertion d’un hétéroatome en position 4 va peupler la conformation PPII (dénommée F) principalement en raison des contributions importantes des populations trans-ppII-down (tFd) et trans-ppII-up (tFu). En effet, 51% des Ac-Pro-NHMe et 41% des Ac-Hyp-NHMe sont en conformation PPII contre 69% des Ac-ѰPro-NHMe. Mutter et al. ont montré que la nature des groupements ainsi que la stéréochimie du centre ⁵C_δ avaient une grande influence sur l’isomérie cis-trans³¹ en ajoutant un groupement p-méthoxyphényle ((S) → 37% en cis, (R) →5% en cis). L’enjeu pour nous a été de contrôler la population cis-trans ainsi que les plissements de cycle pyrrolidine.

C’est ainsi que notre laboratoire a débuté une collaboration avec l’équipe du Professeur Thierry Brigaud qui a développé une méthode de synthèse de 1,3-oxazolidines trifluorométhylées en position ⁵Cδ. Celles-ci peuvent subir une N-acylation et des réactions d'amidification, et ceci sans modification de la stéréochimie, ce qui leur permet d’être résistante à l’hydrolyse³⁵. Par conséquent, elles peuvent être considérées comme des analogues de proline (Figure 2).

163 Des études comparatives par calculs DFT et par RMN ont alors été menées afin d’étudier l’isomérie cis-trans, la présence de liaisons hydrogènes ainsi que le plissement du cycle ѰProline³⁶ et sont résumés dans le Tableau 2.³⁷

Peptide ^{DFT RMN}

cAd cAu cFd cFu tAd tAu tCd tCu tFd tFu c

Pro 19.2 1.3 6.6 5.7 23.9 3.1 0.8 0.0 17.6 21.6

(4R)-Hyp 15.6 3.0 6.1 4.2 15.6 13.5 0.4 0.0 9.0 32.0

ѰPro 9.4 1.9 9.8 11.5 16.3 2.7 0.5 n.c. 27.1 20.7 34

(5S)-CF3-ѰPro 0.7 0.0 36.8 0.1 1.3 n.c. n.c. n.c. 60.3 0.7 43

(5R)-CF₃-ѰPro 0.3 1.5 0.5 38.3 0.7 4.3 n.c. n.c. 1.1 53.4 45

Tableau 2: Populations (%) de chaque conformère dans l’eau pour les différents peptides obtenues par calculs DFT ou d’après des mesures RMN (c=cis, t=trans, C=coude γ, A=hélices α, et F=PPII, d=down, u=up, n.c.= calculs non

convergent)

Ces résultats nous montrent que les estimations de populations cis:trans réalisées par RMN et DFT sont du même ordre, les calculs théoriques prédisant légèrement moins de conformations

cis. D’après ces mesures, l’ajout d’un groupement CF3 favorise largement une population particulière qui dépend de la stéréochimie du centre ⁵Cδ. La conformation tFd est adoptée à 60% par le motif (5S)-CF3-ѰPro (Figure 3) alors que la (5R)-CF3-ѰPro favorise la tFu (53%). La stéréochimie du carbone ⁵C_δ affecte uniquement le plissement du cycle à 5 chainons, les conformations trans (ω= 180°) et F (φ=-70°, ψ= 150°) étant largement stabilisées dans les deux cas, ce qui est souhaitable dans le cadre de la conception de CMP. L’étude des effets électroniques a montré que les plissements de cycle sont stabilisés par des interactions électrostatiques entre les atomes chargés négativement F (-0.35 e) du groupe CF₃ et un des protons Hβ chargés positivement (+0,21 e). Ces interactions, relativement faibles, agissent en synergie avec deux effets d’hyperconjugaison impliquant chacune l’orbitale antiliante σ*

(C^ε -F). En effet, la distance F---Hβ pour (5S)-CF3-ѰPro est plus faible dans la conformation tFd (d=2.50Å) que tFu (d=3.56 Å). Le plissement de cycle down est donc stabilisé (Figure 3). Pour les mêmes raisons mais de manière symétrique, le cycle (5R)-CF3-ѰPro est très fortement stabilisé avec un plissement de cycle up. Ces résultats indiquent que l’enchaînement

(5S)-CF3-ѰPro-(5R)-CF3-ѰPro pourrait avantageusement remplacer la diade Pro-Hyp dans les triplets de collagène en renforçant l’alternance de plissement de cycle « down-up » requise pour la stabilité de la triple hélice.

164 Figure 3: Conformations tFd et tFu adoptées par (5S)-CF3-ѰPro. La conformation est stabilisée par une interaction favorable entre un fluor et H^β3 uniquement pour un plissement de cycle down. En conséquence, tFd représente 60,3% des conformations adoptées par (5S)-CF3-ѰPro et tFu n’est adopté qu’à 0,7%. Le plissement de cycle up est en revanche le plus stable pour l’analogue (5R)-CF₃-ѰPro en raison d’une proximité entre le fluor et H^β2

Les études de RMN menées sur Ac-(5R)-CF₃-ѰPro-NHMe ont par ailleurs montrées que la barrière d’énergie de l’isomérisation cis-trans était particulièrement basse pour ce mime de tripeptide, au-delà de l’abaissement de 1-2 kcal/mol observé pour l’ensemble des ѰPro.²⁹ Une mesure de 15,5 kcal/mol a été trouvée pour cette barrière, alors qu’elle est de 19 kcal/mol pour le résidu proline. Cet effet, spécifique de (5R)-CF₃-ѰPro peut à nouveau s’expliquer par une contribution stéréoélectronique des atomes de fluor. Dans le chapitre précédent, nous avons évoqué la présence de nanoobjets solubles, pouvant provenir de l’assemblage désordonné de triples hélices mal repliées. Une raison possible expliquant la présence de tels édifices en solution provient de la liaison Gly-Pro, à 20% en conformation

cis. Cette géométrie de la liaison peptidique, incompatible avec la formation de triple hélice,

est relativement stable puisque la barrière d’énergie de l’isomérie cis-trans est élevée pour la Proline. Il est attendu que le remplacement de la proline par un motif pseudoproline trifluorométhylé favorise l’isomérisation et ainsi (i) accélère la formation des triples hélices et (ii) déstabilise la formation des agrégats solubles.

Un modèle de modélisation moléculaire a été élaboré à l’aide du logiciel Discovery Studio (Biovia) en se basant sur la structure de la triple hélice [(Pro-Pro-Gly)10]3 (PDB : 1k6f). L’incorporation de quatre groupes CF₃ par chaine a été faite pour obtenir les séquences suivantes au sein de la triple hélice [(Pro-Hyp-Gly)2-((5R)-CF3-ѰPro-(5S)-CF3-ѰPro-Gly)2 -(Pro-Hyp-Gly)₆]. La minimisation a été effectuée dans le vide et a permis d’observer une structure de triple hélice stable, où les groupes CF₃ portés par les ⁵Cδ pointent vers l’extérieur sans causer de gêne stérique. Ceux-ci pourraient alors favoriser des interactions entre les triples hélices via des interactions fluor-fluor et former des édifices supramoléculaires plus stables (Figure 4).

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