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CHIMIE DES ACIDES AMINÉS ET PEPTIDES

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Academic year: 2022

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(1)Estelle Croizet - Enora Vincent. Chimie organique P2 (23/02/20). Charlène Gadais. CHIMIE DES ACIDES AMINÉS ET PEPTIDES Introduction Objectifs du cours: - Donner des exemples de molécules d'intérêt thérapeutique et de médicaments à base d’amino-acides et de peptides - Identifier les avantages et les inconvénients des peptides en tant que potentiel médicament Amino-acides: - Définir et décrire la structure moléculaire d’un amino-acide - Comparer les méthodes de synthèse (industrielle ou non, en recherche) des amino-acides à leur biosynthèse Peptides: - Définir et décrire la structure moléculaire d’un peptide - Comprendre les étapes clés de la synthèse peptidique - Elaborer une stratégie de synthèse d’un peptide Plan du cours: Intro - Les molécules du vivant: une machinerie biomoléculaire complexe à partir de 20 Amino-acides - 2 définitions: amino-acide et peptide I. Intérêt biologique et thérapeutique des peptides a. Un peu d’histoire b. Exemples de médicaments à base de peptides et d’amino-acides c. Le peptide synthétique = un médicament? Avantages, inconvénients et stratégies II. Les amino-acides a. Structure chimique, nomenclature, chiralité et fonctions b. Analogues d’amino-acides, quelques exemples c. Méthodes de production industrielle et voies de synthèse III. Les peptides a. La liaison amide: structure et propriétés physico-chimiques b. Synthèse d’un peptide i. Protection de l’amine ii. Protection de l’acide iii. Epimérisation iv. Activation de l’acide v. Exemple de synthèse pas à pas • En solution: stratégie Boc/Bzl • Sur support solide: stratégie fmoc/tBu IV. Réactions multicomposants (MCR) pour la synthèse de peptidomimétiques.

(2) https://cdn.rcsb.org/pdb101/molecular-machinery/ → Collecte les informations structurales des molécules → Donne l’échelle des différentes molécules (utile dans la conception de mdts) → Regroupement par familles des différentes molécules : onglets à droite (enzymes, ADN, stockage, protéines structurales) → Organisé de cette façon : molécules du milieu extracellulaire vers celles du milieu intra-celullaire → En cliquant sur une molécule on peut observer sa conformation 3D, son utilité dans le corps, etc → Donne différentes représentations qui mettent en valeur les différentes données (interactions, AA…) → Code qui identifie toutes les protéines donnant une cartographie précise de toutes les protéines qui ont été identifiées de manière structurale soit par rayons X soit par RMN. → En cliquant sur ce lien on arrive directement sur la protein-data-banque. C’est un peu complexe pour nous pour l’instant, mais nous serons peut-être amenés à nous servir de ce site. Elle nous enverra le lien​ d’une vidéo intéressante qui nous montre une définition assez précise de la protéine et de sa production. Elle insiste sur cette partie là car il faut être capable de faire le lien entre activité chimique et biologique qui sont indissociables. L’activité chimique va nous permettre de concevoir des médicament. Les définitions pour bien commencer (Rappels PACES) : Un​ amino-acide​ est un composé organique qui possède sur sa chaîne principale à la fois ​acide carboxylique​ -COOH et ​groupe fonctionnel amine​ -NH2 ou une amine secondaire -NH- (portés par le carbone α). NB : selon la nomenclature IUPAC, la chaîne principale correspond à la chaîne la plus longue et qui porte le groupement fonctionnel de degré d’oxydation le plus élevé. Ainsi, sur certains acides aminés, la fonction -COOH ne sera pas portée par le chaîne principale proprement parlée. Les acides aminés, encore appelés amino-acides sont les unités structurales des ​protéines​, des enzymes. Ce sont donc les briques de construction des biomolécules du vivant. Les 20 acides aminés que l’on trouve naturellement dans les protéines se distinguent les uns des autres par un “​radical R​” variab​le. On a dans le génome animal de quoi coder 20 amino-acides qui nous permettront de coder toutes nos protéines, mais dans la nature on peut retrouver jusqu’à 800 amino-acides. Du greg ‘​psesis’​ = la digestion. Le ​peptide​ est un composé naturel ou synthétique formé par l’assemblage d’au moins 2 acides aminés, unis les uns aux autres par une liaison peptidique ou amide. Peptide = protéines de n<50 aminoacides Une protéine à la particularité d’avoir une structure tertiaire voire quaternaire qu’un peptide ne pourra pas acquérir, or ce sont ces structures qui conditionnent l’activité biologique et l’activité thérapeutique. Donc, au niveau thérapeutique, le peptide se retrouve à mi-chemin entre les petites molécules (stéroïdes, composés aromatiques) et les grosses molécules (anticorps). C’est intéressant car on peut potentiellement ponctionner les avantages de l’un sans avoir les inconvénients de l’autre : c’est une classe thérapeutique alternative​ qui a suscité beaucoup d’intérêt. 2.

(3) I - Intérêt biologique et thérapeutique des peptides A - Un peu d’histoire L’histoire des peptides remonte à l’identification de l’insuline (années 1920), qui est un assemblage de deux séquences aminés : 30 AA et 21AA liés par des ponts disulfures. L’identification de cette hormone a ouvert la voie à l’extraction et ensuite à la synthèse de toute une série de peptides issus du pool naturel (vasopressine, somatostatine, ocytocine, etc), puis au cours des années (principalement les 30 dernières), la mise sur le marché de peptides en tant que potentiel thérapie (150 peptides en essaie clinique, 60aine ont l’AMM, 6 sont dans le top 200 des médicaments les plus rentables). Mais aussi : vasopressione, oxytocine, somatostatine, eledoisine, defensine, ghreline, etc. B - Exp de médicaments à base de peptides et d’amino-acides Peptides : Sondostatine, somatoline, euproline, zoladex sont tous des peptides analogues d’hormones qui ont un certain nombre de défauts, en particulier leur stabilité métabolique. Il est donc nécessaire d’ajouter des modifications pour augmenter cette stabilité et obtenir une administration plus favorable à certaines pathologies. -. Sondostatine et Somatuline = 8AA, leur particularité est qu’il sont cycliques, qu’ils ont des ponts-disulfures, une amidification terminale, etc. Ces modifications des AA les rendent plus résistants à la dégradation enzymatique. Ces analogues de la somatostatine sont utilisés comme inhibiteurs de l’hyper sécrétion de certaines hormones induites par des tumeurs. -. Leuprolein et le Zoladex = 9 AA, eux sont linéaires. On peut avoir apparition de structures et modifications post traductionnels.. -. Cemagltuide, qui est un GLP1 (glucacon like peptide), intervient dans le traitement du diabète. -. Ciclosporine utilisée en immunothérapie, c’est un peptide cyclique.. Amino-acides : - Levotyrox utilisé comme remplacement de la levotyroxine naturelle qui permet la régulation du calcium et autres processus métaboliques pour les patients qui ont subi une ablation de la thyroïde.. 3.

(4) -. Lyrica, ce n’est pas un α-amino-acide mais un αβɣ-amino-acide utile dans le traitement anti-douleur. C - Peptidomimétisme : peptides de synthèse = un médicament ? 1 - Stratégie ●. L’utilisation d’amino-acides non protéinogènes.. On peut utiliser des AA de type D alors qu’il sont naturellement de stéréochimie L. L’enzyme qui dégrade normalement le peptide ne le reconnaît plus et ne peut donc plus agir. ●. Variation de la chaîne latérale : exemple de la méthionine. Elle ressemble à une chaîne linéaire avec un soufre. On va remplacer ce soufre qui risque de s’oxyder et changer l’activité du peptide par un CH2. ●. Variation de fonction terminale N-ter (protection). Fonction N-ter que l’on peut protéger (amine peut être transformée, reconnu) en l’acétylant. Cet acyle peut aussi être reconnu et transformé en amide primaire ou amide méthylé. ●. Cyclisation. La cyclisation est une des stratégies phares permettant de lutter contre l'instabilité conformationnelle. On peut: - faire des lactamisations (relier amine avec acide terminale = amide) le long du squelette peptidique ou bien en utilisant les chaînes latérales, - faire des ponts di-sulfures. ●. Structuration. Utilisation d’acides aminés non protéinogènes = amino-acide contraint : proline. C’est un cycle à 5 que l’on peut transformer en cycle à 6 (pipécolique acide) → Avantage : induit un coude qui permet d’une part la stabilisation métabolique et d’autre part induire un feuillet β, une hélice, etc (→ structure induit l’effet). ●. Modification de la nature même de la liaison amide (susceptible d'être hydrolysée). → On remplace cette liaison par une liaison bioisostère qui va conserver l’aspect accepteur/donneur d’hydrogène. Par exemple, on peut remplacer la fonction amine par un imidazole, intégrer des groupements fluorés pouvant être une alternative ponctuelle, locale ou plus répétée au sein de la structure. Ce n’est plus peptidique mais ​peptidomimétique​ pour pallier aux faiblesses des peptides naturels. 4.

(5) 2 - Avantages et inconvénients ●. “Rule of 5” ou Règle de Lipinski. Bonne absorption et perméation si: - < de 5 groupes donneurs de liaisons H - le poid moléculaire est < 500 - logP < 5 - < de 10 groupes accepteurs de liaisons H Un peptide est-il “druggable” ? Un peptide de seulement 5 résidus n’est pas acceptable selon cette règle (trop de liaisons H accepteur et donneur, poids moléculaire trop élevé). C’est un des inconvénients qui peuvent faire douter de l’utilisation d’un peptide comme médicament, surtout par voie orale. Enjeux → administration par voie oral préférentiellement (IV ou IM est plus contraignant) Avantages. Inconvénients. → ​Mimétisme ​de molécules de signalisation endogène (neuropeptide). →​ Biodisponibilité réduite Propriétés pharmacocinétiques défavorables à une administration par VO : faible solubilité, dégradation enzymatique, élimination, mauvaise délivrance…. → ​Haute sélectivité ​(diminue les risques d’effets secondaires) → ​Toxicité réduite​, très important. → ​Large diversité chimique → ​Compatibilité avec technologie de l’ADN recombinant. →​ Structures secondaires déstabilisées​ et structures tertiaires des protéines non conservées → ​Coûts de production​ : grande molécule à produire, utilisation de certaines bactéries, demande une automatisation, etc. On ne produit pas un peptide à l’échelle de la tonne, on est plus au niveau du kilo.. → ​Taille < anticorps, protéines ​qui ne peuvent pas traverser les membranes cellulaires), gamme de cibles beaucoup plus importante (intra-cellulaire). II - Les amino-acides A - Structure chimique, nomenclature, chiralité et fonction R → Partie variable (chaînes alkyles, fonctions acides/basiques…). 1 - Stéréochimie a - Fischer Conformation de Fischer: le groupement le plus oxydé (COOH) et représenté en haut et R est en bas. 5.

(6) En conformation de Fischer, les AA peuvent être de conformation: → D (Dextrogire) = NH2 à droite → L (Levogire) = NH2 à gauche. b - Règle CIP (Cahn-Ingold-Prelog) On oriente les groupements autour de carbonne α selon le numéro atomique: → n°1 = NH2 → n°2 = COOH → n°3 = R La conformation des AAs est donc S. Cela est toujours valable sauf pour la cystéine qui un soufre comme groupement R: le soufre est prioritaire face au COOH.. 2 - Physico-Chimie pKa usuelle COOH = 4-5 pKa COOH de l’AA = 2-3 pKa NH3+ de l’AA = 8-9 La baisse du pKa et donc la facilitation du départ du H+ s’explique par: - NH2 a un effet inductif attracteur et un effet mésomère donneur - R est généralement donneur Forme des AAs selon le pH du milieu:. -. <1 → Forme acide prédominante [1,3] → Mélange de la forme acide et zwitterion [3,8] → Forme zwitterion [8,10] → Mélange de la forme base et zwitterion > 10 → Forme basique prédominante. Ammonium. Acide carboxylique. Ammonium. Carboxylate. Ammine. Carboxylate. Le zwitterion est neutre, c’est la forme présente dans le corps (pH physiologique = 7).. Il existe 21 AAs (et non 20) protéinogènes classés selon la constitution de leur R. On distingue les AAs essentiels(non synthétisés par l’homme, nécessitant un apport par l'alimentation) et non essentiels. Certains AAs ont une 3eme fonction acide portée par leur chaîne latérale R. Mémo des AAs essentiels: Met-Leu-Val-Lys-Ile-Phe-Trp-His-Thr = “Mets le dans la valise, il fait trop d’histoires” Liste des AAs selon leur classification:​ ​Savoir les reconnaître et les classer AAs aliphatiques: Glycine, Alanine, Leucine, Isoleucine, Valine, Proline AAs aromatiques: Phénylalanine, Tryptophane, Tyrosine, Histidine AAs basiques: Arginine, Histidine, Lysine 6.

(7) AAs acides: AAs hydroxylique: AAs soufrés: AAs amides:. Acide aspartique, Acide glutamique Sérine, Thréonine, tyrosine Cystéine, Méthionine Asparagine, Glutamine. → Liste des AA dernière page NB. La tyrosine est un AA aromatique et hydroxylique. L’histidine est un AA aromatique et basique.. 3 - Fonctions Glycine: apporte de la flexibilité à la protéine Proline: apporte de la contrainte à la protéine Pi-stacking = interaction entre les doublets non liants d’un cycle et ceux d’une autre liaison à proximité L’acide glutamique et la lysine peuvent se lier de façon covalente par réaction chimique ou enzymatique. Ils peuvent aussi créer des liaisons ioniques. Ces liaisons ioniques peuvent aussi se faire avec l’eau. Elles induisent une stabilisation ou une interaction entre protéines. => Rôle sur l’activité des protéines. Dans certains sites catalytiques les AAs sont modifiés de façon post-traductionnels, cela intervient dans le processus biologique. Phosphate = phosphore + oxygène (rôle dans l’ATP) La glycosylation permet le transport du sucre dans le corps. Lysine: ses modifications post-traductionnelles ont un rôle de marqueur induisant une dégradation ou un transport de la protéine vers le milieu extracellulaire La chélation des cations métalliques a un rôle enzymatique tq la décarboxyle peptidases nécessitant un Zn2+. La chélation permet de 7.

(8) stabiliser le cation par liaison ionique.. B - AAs non protéinogèniques et analogues d’AAs Modifiés après l’incorporation dans la chaîne peptidique ou métabolites générés dans des bactéries, champignons, plantes ou organismes marins (>800 AA découverts dans la nature…) AA naturels: - ​Hydroxyproline: ​constituant du collagène, formée par oxydation de la proline -​ β-aminoacides​: β-alanine, précurseur de vitamine - ​γ-aminoacides​: GABA, neurotransmetteur - ​D-aminoacides​ : constituants de certains antibiotiques - ​Sarcosine​: constituant de peptides microbiens CH3 -NH-CH2 -CO2H - Acide α-aminobutyrique (Aib): α, α’ disubstitué H2N-C(CH3 )2 -CO2H → intéressant pour la conformation (contrainte stérique) - Ornithine, Norvaline, Norleucine, dehydroalanine, acide pipecolic.. Analogues de chaînes Mys ou Met - ​amino-acides halogénés​: augmenter le caractère hydrophobe - ​amino-acides cycliques​: analogues de la proline - amino-acides aromatiques -…. C - Méthodes de production industrielle et voies de synthèse Méthodes variées. En général les AAs sont extraits de la biomasse Exp: d'additifs exhausteur de goût E620-E621 a fait polémique car il serait toxique mais les études ne vont pas dans ce sens. Il correspond au glutamate sous forme de sel associé à un cation (Na+, K+, Ca2+..). Pourquoi produire des AAs? - Matière première ​pour la thérapeutique et la cosmétique - Additifs ​agroalimentaires élevage animal (K, M, T) - Exhausteur de goût​ (D, E, S) - Nutrition ​médicalement assisté Différentes méthodes: • ​Extraction: ​après hydrolyse de protéines (issues de la biomasse) • ​Fermentation: ​amino-acides obtenus en tant que métabolites lors de l’activité de microorganismes • ​Méthode enzymatique: ​conversion d’un précurseur par une enzyme pure, préalablement isolée • ​Synthèse chimique Inconvénients. Avantages. Extraction. Matière première limitée (nécessite un stock). Recyclage de la biomasse non utilisée. Fermentation. Limité à un certain nombre d’AA. Simple, facile à mettre en oeuvre, large échelle de production, matière première bon marché. Méthode enzymatique. Substrats spécifiques. Production d’amino-acides énantiopures, économique et écologique. Synthèse chimique. Mélange obtenus racémiques donc étapes supplémentaire de résolution énantiomérique. Production à grosse échelle Accès à des amino-acides originaux 8.

(9) Important​: pour faire un peptide il faut un caractère énantiopure mais souvent les mélanges obtenus sont racémiques. Cela implique des étapes supplémentaires de purification ou de résolution énantiomérique.. 3 - Stratégie de synthèse chimique: accès aux α-AA non naturels Différentes méthodes: -. A partir d’une chaîne de type glycine sur laquelle on greffe un groupement d'intérêt. Il faut l’activer pour réaliser une substitution nucléophile (le doublet déstabilise la charge partielle ce qui génère une charge insuffisante pour une réaction spontanée). On utilise donc une base forte pour former un anion potentiellement instable: activation sous forme d’imine = base de Schiff. -. En utilisant du substrat diéthyl acétamidomalonate (double ester avec un CH2 au milieu). On peut déjà distinguer déjà le futur carbone α, le groupement carboxylate ester. Ce groupement se déprotone en présence de base permettant l'attaque d’un électrophile.. -. Modification d’un pool d’AAs en gardant le centre asymétrique et modifiant le résidu R ​Exp: Levotyrox. -. Formation d’immine par réduction du carbone α ou par alkylation avec un nucléophile.. -. Réaction de Strecker: intervention d’un cyanure. 9.

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