Structures d’azapeptides

Le Laboratoire de Cristallographie et Modélisation des Matériaux Minéraux et Biologiques LCM3B de l’Université Henri Poincaré Nancy I a beaucoup étudié les azapeptides sur le plan structural. André Aubry et son équipe ont résolu les structures cristallines de peptides contenant l’analogue de la proline (azaPro) ou de l’alanine (azaAla)5,118. Les structures cristallines d’un analogue de l’ergopeptine21 et d’un inhibiteur de la rénine119 ont également été résolues. Ces travaux ont permis de mesurer les caractéristiques géométriques de ces acides azaaminés. Les propriétés électroniques de l’enchaînement CO-N-N_α-CO-N sont à coup sûr différentes de celles de l’enchaînement CO-N-C_α-CO-N. Ainsi, on relève une variation des longueurs de liaisons : allongement des liens amides CO-N et raccourcissement attendu des liaisons N-N_α et N_α-CO par rapport à N-C_α et C_α-CO respectivement.

Les paramètres cristallins renseignent également sur l’état d’hybridation de l’atome d’azote de substitution N_α. Le caractère pyramidal de cet atome d’azote peut être mesuré par l’écart au plan défini par les trois atomes auxquels il est lié, valeur à comparer à 0,48 Å pour un atome d’azote sp³ (Tableau 11).

Aza-résidu Ecart au plan (Å) Référence

azaPro 0,18 à 0,41 5,27

N(Me)azaAla 0,12 à 0,18 27

azaAla 0,04 ¹¹⁸

azaPhe (inclus dans un cycle) 0,19 ²¹

azaPhe, azaGly, azaIle 0,02 ²⁰

Tableau 11 : Ecart au plan de l’azote de substitution N_α mesuré grâce aux paramètres cristallins d’azapeptides

Au vu de ces valeurs, il apparaît que le cycle perhydro-1,2,5-triazine incorporant le résidu aza-phénylalanyle²¹, et le cycle pyrazolidine constitutif de l’aza-proline accentuent le caractère pyramidal de l’atome N_α (Figure 39). Ce phénomène provient probablement des fortes contraintes induites dans l’hétérocycle qu’entraînerait la planéité des atomes d’azote.

N N N O O Ph O H Me HO H

Figure 39 : Structure cristalline de l’analogue de l’ergopeptine

D’autre part, il est impossible de prévoir la chiralité acquise par les résidus prochiraux. Ainsi, par exemple, la chiralité des deux atomes d’azotes du motif azaPro est variable selon la séquence, bien que l’angle Φ conserve une valeur proche de ± 110° dans l’azaproline. Il en résulte ainsi une conformation rigide du motif azaPro qui se reproduit dans tous les cas examinés, quelle que soit la longueur de la chaîne^5,27.

Les perturbations conformationnelles engendrées lors de l’introduction d’un résidu aza au sein d’une chaîne peptidique sont actuellement imprévisibles. Les études par diffraction des rayons X, réalisées sur des modèles peptidiques contenant l’azaproline, ont montré que celle-ci possède des propriétés structurantes inverses de celles de la proline. Ainsi, contrairement à la proline, elle déstabilise le repliement dans des séquences azaPro-Xaa, mais favorise le repliement _VI dans les séquences Xaa-azaPro.

Enfin , il est à noter que l’enchaînement Pro-azaAla a permis de mettre en évidence, pour la première fois, un repliement au sein de la structure cristalline d’un modèle azapeptidique118.

Comme nous l’avons émis dans le chapitre I de ce manuscrit de thèse, l’équipe de Kang-Bong Lee a aussi travaillé sur les études structurales de composés comportant un résidu acide azaaminé. En 2000, ils ont exposé leurs résultats concernant le rôle d’un résidu acide azaaminé dans la formation d’un repliement et sa stabilité au sein d’un peptide³⁴. Pour se faire, ils ont utilisé différentes méthodes tels le calcul ab initio, les spectroscopies RMN et IR et la modélisation moléculaire pour analyser le tripeptide Boc-Phe-azaLeu-Ala-OMe.

D’après les calculs de chimie quantique, les angles dihédraux du tripeptide seraient propices à la formation d’un coude (angle Φ pour la liaison N-Nα = 90°±30° ; angle Ψ pour la liaison N_α-C(O) = 0°±30° ou 180°±30°).

Les effets de température en RMN du proton indiquent que le proton NH du résidu Ala est impliqué dans une liaison hydrogène intramoléculaire.

En IR, on observe une bande entre 3400 et 3200 cm^-1 qui correspond à une vibration d’élongation de liaison N-H lorsque le proton est impliqué dans une liaison hydrogène.

La présence de certaines corrélations NOE indique que la fonction carbonyle engagée dans la liaison hydrogène intramoléculaire est celle du groupement Boc pour former un pseudocycle à dix chaînons.

En 2007, Kang-Bong Lee et ses coéquipiers ont publié leurs travaux sur la structuration en repliement de tripeptides contenant un résidu azaPhenylalanine (Figure 40)¹²⁰. Un point important ressort de ces travaux : la structuration du tripeptide est indépendante de l’acide aminé qui précède le résidu aza dans la chaîne. La nature du résidu acide aminé en position i-1 n’influence pas la formation du repliement.

Figure 40 : Corrélations NOEs observées dans Boc-Xaa-azaPhe-Ala-OMe

De la même façon, ils ont étudié le tétrapeptide Boc-Ala-Phe-azaLeu-Ala-OMe contenant une azaLeucine¹²¹. Les conclusions sont similaires :

- le proton NH du résidu alanine 4 est lié par liaison hydrogène intramoléculaire en C₁₀

- il se forme alors un repliement

IV.5. Méthodes et techniques d’études conformationnelles

Nous allons, dans cette partie, décrire succinctement les outils physico-chimiques permettant la mise en évidence des interactions responsables de la structuration d’un oligomère.

IV.5.1. Le dichroïsme circulaire

Le dichroïsme circulaire est une technique spectroscopique qui repose sur la capacité qu’ont les structures optiquement actives d’absorber de façon inégale la lumière polarisée circulairement à droite et la lumière polarisée circulairement à gauche. Cette propriété se rencontre plutôt dans les liquides et les solutions du fait de la structure des molécules. L’absence d’organisation structurale dans la molécule étudiée engendre un spectre de dichroïsme circulaire dont l’intensité est nulle, alors qu’une structuration compacte résulte en un spectre qui peut contenir à la fois des signaux positifs et négatifs.

C’est une méthode très utilisée pour l’analyse conformationnelle des peptides et des protéines. Les éléments de structure secondaire jouent un rôle sur leur signal dichroïque, en particulier les structures en hélice. Ainsi, les structures en hélice α et feuillet des protéines ou en double hélice des acides nucléiques présentent des signaux dichroïques caractéristiques.

La répartition spectrale du dichroïsme circulaire donne, dans les domaines des ultraviolets, des informations importantes sur la structure secondaire des protéines. Par exemple, elle indique la proportion relative des fragments de la protéine en hélice α, feuillet , coudes ou en structure aléatoire. Il est aussi possible d’observer la dénaturation d’une protéine par l’augmentation du signal correspondant à la structure aléatoire et la diminution des signaux correspondants aux hélices α et feuillets . On peut également suivre le repliement de la protéine et déterminer quelle structure secondaire se forme en premier.

Ces informations permettent de réduire énormément les possibilités de structures de la protéine étudiée mais elles ne donnent pas les emplacements des structures secondaires détectées. Cependant, le dichroïsme circulaire est un outil très efficace pour observer les modifications de conformations, par exemple en fonction de la température ou en fonction de la présence d’autres molécules.

Le dichroïsme circulaire donne moins d’informations sur la structure des protéines que la diffraction des rayons X ou que la RMN mais il permet de faire des mesures rapides, sans nécessiter une grande quantité de produits et sans analyses longues des données. De même, il permet d’étudier rapidement les protéines et les peptides en faisant varier les conditions de solvants, la température, le pH, la salinité, etc.…

Cette technique possède néanmoins quelques limitations expérimentales. Les spectres de dichroïsme circulaire utilisés dans la détection de la structure secondaire sont liés à

l’air à cause de la forte absorption de l’oxygène dans cette gamme de longueurs d’ondes. Dans la pratique, on réalise les mesures à l’aide d’instruments remplis d’azote. Récemment, cette méthode a été transposée à l’analyse d’oligomères pseudopeptidiques tels que les peptides^109,110,76, les peptoïdes⁷⁶ ou encore les oligourées¹²². Néanmoins, on ne peut pas corréler l’allure du signal dichroïque des protéines à celle des pseudopeptides. Chaque type de composés possède sa propre empreinte dichroïque.