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Aurélien de La Torre
To cite this version:
Délivré par l’Université Montpellier 1
Préparée au sein de l’école doctorale 459 « Sciences
Chimiques »
Et de l’unité de recherche IBMM
Spécialité : Chimie organique, minérale et industrielle
Présentée par Aurélien de la Torre
Soutenue le 10 octobre 2014 devant le jury composé de
M. Cyril BRESSY, Maître de conférences, Univ. Aix-Marseille Rapporteur Mme Janick ARDISSON, Professeur, Univ. Paris-Descartes Rapporteur
M. Robert DODD, Directeur de Recherche, Gif/Yvette Examinateur/Président M. Jean-Marc CAMPAGNE, Professeur, ENSCM Examinateur
M. Jean-Marie GALANO, Chargé de Recherche, Montpellier Directeur de thèse Mlle Camille OGER, Maître de conférences, UM1 Co-encadrante de thèse
2
Sommaire ... 2
Remerciements ... 6
Index des Schémas ... 9
Index des Figures ... 15
Glossaire ... 18
Introduction Générale ... 25
Partie I : Stress oxydant et Isofuranes ... 31
Chapitre 1 : Le stress oxydant ... 31
I. Radicaux libres et stress oxydant ... 31
1) Le paradoxe de l’oxygène ... 31
(a) Le radical anion superoxyde ... 31
(b) Le radical hydroxyle ... 32
(c) Les radicaux peroxyles, hydroproxyles et alkoxyles ... 33
2) Sources des Espèces Oxygénées Réactives ... 34
(a) La mitochondrie ... 34
(b) La NADPH-oxydase ... 35
(c) La Xanthine oxydase ... 35
(d) Les NO synthases ... 36
(e) Le cytochrome P450 ... 36
3) Comment contrer la production d’EOR : les espèces antioxydantes ... 37
(a) Espèces endogènes ... 37
(b) Espèces exogènes ... 39
II. Influence sur les biomolécules : la peroxydation lipidique ... 40
1) Peroxydation lipidique ... 41
2) Les isoprostanoïdes ... 43
(a) Découverte des isoprostanes ... 43
(b) Autres isoprostanoïdes ... 46
(c) Activités biologiques ... 48
3
I. Découverte des isofuranes et autres isofuranoïdes ... 51
1) Les isofuranes ... 51
(a) Découverte des isofuranes ... 51
(b) Isofuranes et tension en oxygène ... 53
2) Autres isofuranoïdes ... 56
II. Biosynthèse : trois mécanismes pour une foule d’isomères ... 58
III. Nomenclature ... 63
IV. De nouveaux biomarqueurs ... 65
1) Méthodes de dosage ... 65
2) Applications comme biomarqueur ... 65
(a) Isofuranes ... 65
(b) Neurofuranes ... 68
V. Conclusion ... 69
Partie II : Méthodes de synthèse de tetrahydrofuranes et synthèses totales d’isofuranoïdes ... 73
Chapitre 1 : Méthodes de synthèse de tetrahydrofuranes ... 73
I. Cyclisation par substitution nucléophile ... 74
1) Ouvertures d’époxydes ... 74
(a) Applications en synthèse totale ... 75
(b) Récentes avancées méthodologiques ... 77
2) Haloéthérifications et substitutions d’halogénures ... 80
(a) Substitutions d’halogénures ... 80
(b) Réactions d’haloétherifications ... 81
(i) Réactions diastéréospécifiques ... 81
(ii) Réactions énantiosélectives ... 83
(iii) Applications en synthèse totale ... 86
3) Substitutions allyliques - réactions de Tsuji-Trost ... 88
4) Autres réactions de substitution ... 90
II. Méthodes de cyclisations oxydantes ... 91
1) Cyclisations oxydantes catalysées par l’osmium ... 92
2) Autres méthodes ... 97
4
2) Cycloadditions... 103
(a) Cycloadditions (3+2) impliquant l’ouverture d’un cyclopropane ... 103
(i) Synthèse de THF cis ... 103
(ii) Formation de THF trans ... 105
(b) Autres cycloadditions ... 107
3) Annélations ... 111
IV. Autres réactions intramoléculaires ... 113
1) Réactions impliquant un intermédiaire oxonium ... 113
2) Hydroalkoxylations ... 115
3) Autres méthodes de cyclisation par création de liaison C-C... 118
V. Conclusion ... 119
Chapitre 2 : Synthèses totales d’isofuranoïdes ... 121
I. Stratégie de synthèse de Taber ... 121
II. Stratégie de synthèse de Zanoni ... 129
III. Vers une nouvelle stratégie de synthèse ... 133
1) La synthèse totale collective ... 133
2) Une nouvelle approche ... 134
Partie III : Une nouvelle stratégie de synthèse d’isofuranoïdes ... 140
Chapitre 1 : Synthèse de l’intermédiaire commun ... 140
I. Réflexion sur le choix des groupements protecteurs – Finalisation de la stratégie …..….….….….….….….….………140
II. Synthèse de l’intérmédiaire diol ... 142
III. Conclusion ... 146
Chapitre 2 : Synthèse des structures alkényles ... 149
I. Synthèse de la structure commune aux isofuranoïdes alkényles ... 149
1) Formation de la structure THF ... 149
2) Modifications des groupements protecteurs – Vers l’introduction des chaînes latérales ... 153
II. Synthèse totale de la 10-epi-17(RS)-SC-D15-11-dihomo-IsoF ... 156
III. Découverte et quantification des dihomo-isofuranes ... 158
IV. Conclusion ... 160
5
1) Stratégie de protection carbonate ... 164
2) Stratégie de protection benzoate ... 165
II. Synthèse totale de la 4(RS)-ST-D5-8-NeuroF... 169
III. Synthèse totale de la 7(RS)-ST-D8-11-dihomo-IsoF ... 173
IV. Etude de la supplémentation en huile de poisson ... 176
V. Conclusion ... 178
Partie expérimentale ... 185
I. General Information ... 185
II. Experimental procedures... 186
6 Ce travail a été réalisé au sein de l’Institut des Biomolécules Max Mousseron dirigé par Jean Martinez, et de l’équipe de Synthèse de Lipides Bioactifs dirigée par Thierry Durand. Je souhaite remercier particulièrement M. Thierry Durand de m’avoir accueilli au sein de son équipe, et pour toute son application à aider les membres de son équipe dans leurs tâches autant scientifiques que non-scientifiques.
Je tiens également à remercier M. Cyril Bressy et Mme Janick Ardisson, ainsi que MM. Robert Dodd et Jean-Marc Campagne, d’avoir accepté de juger ce travail.
Merci à mes parents de chimie, Jean-Marie Galano et Camille Oger, sans qui rien de tout cela n’aurait été possible. Merci d’avoir su me guider au cours de ces trois ans, merci pour tous vos conseils, merci d’avoir toujours été disponibles pour m’aider.
Si Jean-Marie et Camille m’ont « élevé » en tant que chimiste, la graine a été plantée bien avant par mes différents professeurs de chimie, MM. Virieux, Pirat et Campagne, qui m’ont beaucoup appris même si mon assiduité ne le reflétait pas, et avant eux M. Warkocz, qui m’a inoculé le virus de la chimie organique. Je m’arrête là sur ma généalogie de chimiste, avant que cela ne devienne plus emmêlé et malsain…
7 notre bureau cette dernière année. Merci aussi à l’équipe de Caudalie, pour les échantillons-cadeaux de Noël. Merci à Camille, malgré nos désaccords idéologiques profonds sur l’utilisation du terme « Bien que ». Merci à Jean-Marie, de nous faire partager la vue de son postérieur à longueur de journée. Merci à Thierry pour son jus de pomme. Merci surtout à mon Ipod, de m’avoir préservé des chansons fredonnées par Camille et Alex.
Mes remerciements vont également à Pascale Guiffrey, pour l’utilisation de la HPLC et des colonnes chirales de l’équipe AM2N. Merci aussi à Renata, qui a corrigé mon résumé de recherche.
Merci également à tous mes esclaves, Clément, Elsa, Nina, Gavin, Thomas et Toto Bébert, pour avoir fait le travail à ma place. Enfin, merci à tous ceux qui sont passé par le labo, ne serait-ce que en se perdant pour aller à la cafétéria…
Merci à mes camarades thésards du club des jeunes de la SCF, pour les réunions-apéros. Merci aussi à l’équipe AM2N, pour les exercices du mardi matin, le café à midi et les apéros le soir. Merci à IAM, pour les apéros, et en particulier à Vix et Maxou, pour les soirées tarot. Merci à tous, de montrer que les doctorants ne sont pas des alcooliques… Enfin, merci à Etienne et Thomas, de nous avoir accueilli un soir sur deux.
8 écouté patiemment tenter vainement de leur expliquer en quoi consistait ma thèse, ou même la synthèse totale en général, où même la chimie organique… Je tiens aussi à remercier mes grand-parents, qui croient toujours que je travaille dans un laboratoire d’analyses médicales. Gracias mi abuelita, por siempre haber seguído mi recorrido desde Colombia. Gracias también a mi abuelito, que seguramente esta toreando a la limón con Manolete en este instante en el paraíso de los toreros. Merci à François d’avoir accueilli ma mère, ce qui m’a permis de récupérer son frigo. Merci Manué, pour avoir partagé les cadeaux de Noël avec moi. Merci à Sergio, de nous avoir ramené les images de l’album Panini qu’il nous manquait. Merci à James pour le premier but contre l’Uruguay.
9
Schéma 1 : Les PGs, IsoPs et IsoFs, métabolites de l’AA ... 26
Schéma 2 : Réduction du dioxygène en eau ... 31
Schéma 3 : Réduction partielle du dioxygène en radical anion superoxyde ... 32
Schéma 4 : Dismutation du radical superoxyde en peroxyde d’hydrogène ... 32
Schéma 5 : Formation de radicaux hydroxyles selon la réaction d’Haber-Weiss ... 32
Schéma 6 : Formation des radicaux peroxyles ... 33
Schéma 7 : Formation de radicaux alkoxyles à partir d’hydroperoxydes ... 33
Schéma 8 : Dismutation de l’anion superoxyde ... 37
Schéma 9 : Dismutation du peroxyde d’hydrogène ... 37
Schéma 10 : Réduction des peroxydes par la GPx ... 38
Schéma 11 : Attaque des radicaux hydroxyles sur la guanine ... 40
Schéma 12 : Abstraction d’un hydrogène bis-allylique sur les AGPI ... 41
Schéma 13 : Etapes de propagation de la peroxydation lipidique ... 42
Schéma 14 : Métabolisation de l’AA par la COX ... 43
Schéma 15 : Mécanisme de formation des IsoPs ... 44
Schéma 16 : Métabolisation des H2-IsoPs ... 45
Schéma 17 : Etape d’exclusion à l’origine de la formation des IsoPs ... 52
Schéma 18 : Les IsoPs et IsoFs, métabolites de l’AA ... 53
Schéma 19 : Mécanisme par clivage de peroxyde cyclique pour le formation d’IsoFs 59 Schéma 20 : Formation préférentielle d’IsoFs par rapport aux IsoPs en conditions riches en oxygène ... 60
Schéma 21 : Mécanisme par ouverture d’époxyde pour la formation d’IsoFs ... 61
Schéma 22 : Mécanisme alternatif pour la biosynthèse des IsoFs ... 62
Schéma 23 : Différents modes de cyclisation possibles menant aux structures THF et cyclisations en compétition ... 75
Schéma 24 : Etape clé de cyclisation 5-exo-tet lors de la synthèse des amphidinolides X et Y par Dai et Wu ... 76
Schéma 25 : Cyclisation en milieu basique et post-fonctionnalisation lors de la synthèse totale de D13-9-IsoF ... 76
10
cyclisation en cascade ... 78
Schéma 28 : Ouvertures d’époxydes en cascade amorcées par une réaction de Nicholas intramoléculaire ... 79
Schéma 29 : Résolution/cyclisation d’alcools homo-allyliques ... 79
Schéma 30 : Synthèse de THF selon la séquence de Britton ... 81
Schéma 31 : Iodoétherification diastéréospécifique pour former des THF trans ... 82
Schéma 32 : Iodoétherification diastéréospécifique pour former des THF cis ... 83
Schéma 33 : Iodoéthérification énantiosélective catalysée par un complexe de CrIII .. 84
Schéma 34 : Bromoéthérification énantiosélective catalysée par un acide phosphorique chiral ... 84
Schéma 35 : Rationalisation de la stéréosélectivité lors de la bromoétherification catalysée par un acide phosphorique ... 85
Schéma 36 : Désymétrisation de diol dioléfinique par doubles bromoéthérification .. 86
Schéma 37 : Cyclisation inattendue lors de la synthèse totale de la lauréatine ... 87
Schéma 38 : Formation de THF pallado-catalysée à partir de carbonates phoshono-allyliques ... 88
Schéma 39 : Désymétrisation de diols 1,3 et cyclisation par réaction de Tsuji-Trost .. 89
Schéma 40 : Synthèse de THF par réaction de Tsuji-Trost dirigée par contre-anion .. 89
Schéma 41 : Cyclisation de triol via un intermédiaire orthoester ... 90
Schéma 42 : Proposition de mécanisme pour la cyclisation oxydante de diène-1,5 .... 91
Schéma 43 : Méthodes en deux étapes pour la cyclisation oxydante énantiosélective 93 Schéma 44 : Cyclisation oxydante en présence d’acide de Lewis ... 94
Schéma 45 : Cyclisation oxydante de vinylsilanes suivie d’une oxydation de Fleming-Tamao ... 94
Schéma 46 : Synthèse de THF trans à partir du produit cis de cyclisation oxydante .. 95
Schéma 47 : Aminohydroxylation intramoléculaire en tandem avec la cyclisation oxydante ... 96
Schéma 48 : Double cyclisation oxydante en cascade menant à la structure bis-THF de la pectenotoxine-4 ... 97
Schéma 49 : Cyclisation oxydante palladocatalysée ... 98
11 aldéhyde ... 100
Schéma 52 : Synthèse de THF par réaction de type Prins avec un vinyl-thiophenol pour nucléophile ... 100
Schéma 53 : Formation de THF par réaction de Prins avec un organosilane pour nucléophile ... 101
Schéma 54 : Formation de THF par cyclisation réductrice ... 102 Schéma 55 : Réaction à trois composants menant de façon stéréosélective aux THF 102 Schéma 56 : Formation de THF polysubstitué par cycloaddition (3+2) entre un cyclopropane et un aldéhyde ... 104
Schéma 57 : Synthèse de THF par cycloaddition (3+2) pallado-catalysée ... 104 Schéma 58 : Synthèse énantiosélective de THF 2,5-cis par déracémisation de cyclopropane ... 105
Schéma 59 : Synthèse de THF à partir de cyclopropanes 1,1,2,3-tetrasubstitués ... 106 Schéma 60 : Cycloaddition (3+2) entre un cyclopropane sans groupement attracteur et un aldéhyde ... 107
Schéma 61 : Synthèse de THF par cycloaddition de vinylidènecyclopropanes et d’aldéhydes ... 107
Schéma 62 : Synthèse de THF par cycloaddition (3+2) entre un alcool propargylique et une double liaison appauvrie ... 108
Schéma 63 : Cycloaddition (3+2) entre un allènoate et un aldéhyde aromatique ... 108 Schéma 64 : Synthèse de THF par cycloaddition (3+2) d’allylsilane et d’aldéhyde . 109 Schéma 65 : Synthèse de THF par une séquence d’allylboration, hydroboration et iodation ... 110
Schéma 66 : Stratégie de synthèse de THF par cycloaddition (5+2) et métathèse ... 110 Schéma 67 : Formation de THF par cycloaddition (4+1) entre un carbène de rhodium et un alcool homo-propargylique ... 111
12 Schéma 75 : Couplages pallado-catalysés en tandem pour former des structures THF
... 117
Schéma 76 : Cascade radicalaire menant à des bis-THF ... 118
Schéma 77 : Addition d’oxa-Michael appliquée à la synthèse de l’amphidinolide C par Roush ... 118
Schéma 78 : Cycloisomérisation d’alkénylidènecyclopropane ... 119
Schéma 79 : Stratégie de synthèse d’IsoFs alkényles par Taber ... 121
Schéma 80 : Synthèse du substrat de cyclisation ... 122
Schéma 81 : Cyclisation pour obtenir la structure THF ... 123
Schéma 82 : Introduction des chaînes latérales et fin de la synthèse de la 8-epi-ST-D13 -9-IsoF et de la 8-epi-15-epi-ST-D13-9-IsoF ... 124
Schéma 83 : Stratégie de synthèse d’IsoFs ènediol par Taber ... 125
Schéma 84 : Synthèse de l’intermédiaire cyclique permettant l’accès aux structures énediols ... 126
Schéma 85 : Introduction de la chaîne w ... 127
Schéma 86 : Réduction diastéréosélective de l’énone 23 ... 127
Schéma 87 : Réduction de l’alcyne et fin de la synthèse de l’ent-SC-D13-8-IsoF ... 128
Schéma 88 : Troisième synthèse totale d’IsoF réalisée par Taber ... 128
Schéma 89 : Stratégie de synthèse de Zanoni ... 129
Schéma 90 : Cyclisation diastéréo- et énantiosélective par réaction de Tsuji-Trost .. 130
Schéma 91 : Introduction des fonctions sulfone et alcool protégé pour la formation des chaînes latérales ... 131
Schéma 92 : Synthèse de l’aldéhyde correspondant à la chaine a ... 131
Schéma 93 : Introduction des chaînes latérales et fin de la synthèse ... 132
Schéma 94 : Analyse rétrosynthétique des structures alkényles et ènediols en s’appuyant sur une réaction d’ouverture d’époxyde ... 135
Schéma 95 : Stratégie de synthèse commune aux structures alkényles et ènediols en s’appuyant sur la méthode de Borhan ... 136
Schéma 96 : Stratégie de synthèse avec les groupements protecteurs ... 141
Schéma 97 : Synthèse de l’intermédiaire diol 50 ... 142
Schéma 98 : Formation de la butyrolactone parasite et de la bis-lactone 52 ... 142
13
Schéma 101 : Protection de l’alcool libre restant en PMB ... 144
Schéma 102 : Désymétrisation du diol 52 et protection sous forme d’EOM ... 144
Schéma 103 : Synthèse de l’intermédiaire commun 58 ... 145
Schéma 104 : Monoprotection régiosélective de l’alcool en b de l’ester ... 149
Schéma 105 : Migration du groupement protecteur acétate lors de la déprotection de l’acétonide ... 150
Schéma 106 : Protection benzoate et déprotection d’acétonide en one-pot ... 151
Schéma 107 : Monoprotection benzoate régiosélective ... 152
Schéma 108 : Déprotection de l’acétonide et migration du benzoate ... 152
Schéma 109 : Cyclisation selon la méthode de Borhan ... 153
Schéma 110 : Interconversion des groupements protecteurs esters en TBS ... 154
Schéma 111 : Tentatives de réduction de l’ester ... 154
Schéma 112 : Introduction de la première chaîne latérale par réaction de HWE ... 156
Schéma 113 : Réduction de l’énone et déprotection du PMB ... 156
Schéma 114 : Introduction de la seconde chaîne latérale et déprotections finales ... 157
Schéma 115 : Rappel de la stratégie menant aux structures ènediol ... 163
Schéma 116 : Réduction de l’ester éthylique ... 164
Schéma 117 : Protection du diol-1,2 en carbonate ... 164
Schéma 118 : Migration du carbonate lors de la déprotection du benzoate ... 165
Schéma 119 : Exemple de monoprotection régiosélective en a d’un ester ... 166
Schéma 120 : Monoprotection régiosélective de l’intermédiaire commun sur la position en a ... 166
Schéma 121 : Migration de la fonction benzoate lors de la déprotection de l’acétonide ... 167
Schéma 122 : Déprotection de l’acétonide ... 167
Schéma 123 : Cyclisation 5-endo-tet et déprotection de l’éther PMB ... 168
Schéma 124 : Stratégie d’introduction des chaînes latérales pour l’accès aux stuctures ènediol ... 169
Schéma 125 : Reprotection de l’alcool 85 ... 169
Schéma 126 : Méthode d’hydrosilylation sélective de Brookhart ... 170
Schéma 127 : Tentative d’hydrosilylation de l’ester éthylique ... 170
14 Schéma 130 : Introduction de la première chaîne latérale par une séquence de
réduction-oxydation-HWE ... 172
Schéma 131 : Réduction de l’énone et déprotection de l’éther PMB ... 172
Schéma 132 : Introduction de la seconde chaîne latérale et fin de la synthèse de la 4(RS)-ST-D5-8-NeuroF ... 173
Schéma 133 : Introduction de la chaîne w ... 174
Schéma 134 : Interconversion des groupements protecteurs esters en éthers TBS .... 174
Schéma 135 : Introduction de la chaîne a par une séquence de réduction-oxydation-HWE ... 175
Schéma 136 : Synthèse du phosphonate 104 ... 175
Schéma 137 : Réduction de Luche, déprotection des éthers TBS et saponification de l’ester méthylique ... 176
Schéma 138 : Synthèse de l’intérmédiaire commun aux structures alkényles et ènediol ... 229
Schéma 139 : Synthèse du composé 70, commun aux structures alkényles ... 230
Schéma 140 : Synthèse totale de la 10-epi-17(RS)-SC-D15-11-dihomo-IsoF ... 231
Schéma 141 : Synthèse du composé 85, commun aux structures ènediols ... 232
Schéma 142 : Synthèse de la 7(RS)-ST-D8-11-dihomo-IsoF ... 233
Schéma 143 : Synthèse de la 4(RS)-ST-D5-8-NeuroF ... 234
15
Figure 1 : Structures des Dihomo-IsoFs ... 27
Figure 2 : Fonctionnement simplifié de la mitochondrie ... 34
Figure 3 : Structures des principaux antioxydants endogènes ... 39
Figure 4 : Structures des principaux antioxydants exogènes ... 40
Figure 5 : Structure des isothromboxanes et isocétals ... 46
Figure 6 : Concentration de F4-NeuroPs (notés ici NPs) et F2-Isops dans le gyrus temporal supérieur et moyen (SMTG), l’hippocampe (HIPPO), le lobule parietal inférieur (IPL) et le cervelet (CBL) de patients atteints d’Alzheimer et de sujets sains ... 47
Figure 7 : Dosage des dihomo-IsoPs dans le plasma de patients atteints du syndrome de Rett aux quatres stades de la maladie comparés aux sujets sains ... 48
Figure 8 : Influence de la tension en oxygène sur la formation in vitro de F2-IsoPs et IsoFs ... 54
Figure 9 : Ratio IsoFs/IsoPs dans le cerveau, les reins et le foie de rats ... 54
Figure 10 : Concentrations en IsoPs et IsoFs basales et après 3h d’exposition à une concentration en oxygène >98% dans les tissus de poumons de souris ... 55
Figure 11 : Influence de la tension en oxygène sur la formation de NeuroFs ... 56
Figure 12 : Formation de NeuroFs et NeuroPs dans le foie de souris exposées au CCl4 en fonction du temps ... 57
Figure 13 : Exemple d’IsoFs de structure alkényle et ènediol ... 63
Figure 14 : Nomenclature des IsoFs ... 64
Figure 15 : Exemple d’application de la nomenclature à quelques NeuroFs et dihomo-IsoFs ... 64
Figure 16 : Dosage d’IsoFs dans les cerveaux de patients atteints de la maladie de Parkinson (PD), de démence à corps de Lewy (DLB), d’atrophie multisystématisée (MSA) et de la maladie d’Alzheimer (AD) comparés aux cerveaux de patients sains (CTR) ... 66
Figure 17 : Dosage d’IsoFs dans les cerveaux de patients atteints de la maladie de Parkinson (PD), de démence à corps de Lewy (DLB), d’atrophie multisystématisée (MSA) et de la maladie d’Alzheimer (AD) comparés aux cerveaux de patients sains (CTR) ... 67
16 THF représentatifs des familles de macrolides et d’acétogénines ... 73 Figure 20 : La maïtotoxine, un bel exemple de la complexité des produits naturels . 133 Figure 21 : La synthèse totale collective, une stratégie permettant l’accès à la fois à la complexité et à la diversité des produits bioactifs ... 134 Figure 22 : Structure de l’intermédiaire commun ... 140 Figure 23 : Détermination du ratio diastéréoisomérique de la seconde dihydroxylation de Sharpless par RMN ... 145 Figure 24 : Dosage comparatif des IsoFs, dihomo-IsoFs et NeuroFs dans le cortex de porcelets prématurés 252 ... 158 Figure 25 : Dosage comparatif de différents isoprostanoïdes dans le cortex de porc 159 Figure 26 : Etude de la concentration en différents AGPI et métabolites oxygénés dans des coeurs de rats supplémentés en huile de poisson comparés aux cœurs de rats non supplémentés ... 177 Figure 27 : Etude de la concentration en différents AGPI et métabolites oxygénés dans des cerveaux de rats supplémentés en huile de poisson comparés aux cerveaux de rats non supplémentés ... 178
18 AA Acide arachidonique
Ac Acétyle
AdA Acide adrénique
AGPI Acide gras polyinsaturé ALA Acide a-linolénique
APTS Acide para-toluène sulfonique ATP Adénosine triphosphate
Bn Benzyle
Boc tert-butoxycarbonyle
bphen Bathophénanthroline Bs Benzènesulfonyle
Bz Benzoyle
CAL-B Candida antarctica lipase B
CAN Nitrate de cérium et d’ammonium CCM Chromatographie sur couche mince CDI Carbonyldiimidazole Coll Collidine CoQ Coenzyme Q COD Cyclooctadiène Coe Cyclooctène COX Cyclo-oxygénase
CSA Acide camphorsulfonique dba Dibenzylidène acétone DCE 1,2-dichloroéthane DCM Dichlorométhane
DDQ 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone DEAD Azodicarboxylate de diéthyle
DET Diéthyltatrate
19 DHQ Dihydroquinine
DHQD Dihydroquinidine
DIBAl-H Hydrure de diisobutylaluminium DIP b-Chloro diisopinocamphéylborane DIPEA Diisopropyléthylamine
DMAP Diméthylaminopyridine DMP Périodinane de Dess-Martin DMS Diméthylsulfide
DPE-Phos bis[2-(diphénylphosphino)phényl]éther EDG Groupement électro-donneur
e.e Excès énantiomérique EI Ionisation électronique EOM Ethoxyméthyle
EOR Espèce oxygénée réactive EPA Acide icosapentaènoïque ESI Ionisation par électrospray
esp acide a,a,a’,a’-tetraméthyl-1,3-benzènedipropionique EWG Groupement électroattracteur
GC/MS Chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse Gpx Glutathion peroxydase
GSH Glutathion réduit GSSG Glutathion oxydé HBCat Catéchol borane
HFIPA 1,1,1,3,3,3-Hexafluoroiso-propylacrylate HWE Horner-Wadsworth-Emmons Im Imidazole Ipc Isopinocamphéyl IsoF Isofurane IsoP Isoprostane KHMDS Bis(triméthylsilyl)amidure de potassium LA Acide linoléïque
20 LOX Lipo-oxygénase
Ms Mésyl
MTBE tert-butylméthyléther
NADH Nicotinamide adénine dinucléotide
NADPH Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate NaHMDS Bis(triméthylsilyl)amidure de sodium
NBP N-Bromophtalimide NBS N-Bromosuccinimide NCS N-Chlorosuccinimide NIS N-Iodosuccinimide NeuroF Neurofurane NeuroP Neuroprostane
NICI Ionisation chimique négative PC Phosphatidylcholine PG Prostaglandine PhytoF Phytofurane PhytoP Phytoprostane Piv Pivaloyle PMB para-métoxybenzyle
PMBTCA Trichloroacétimidate de para-métoxybenzyle PMP para-méthoxyphényle
PNO N-Oxyde de pyridinium
PPTS para-toluènesulfonate de pyridinium
PTSH 1-phényl-1H-tetrazole-5-thiol Py Pyridine
r.d Ratio diastéréoisomérique r.e Ratio énantiomérique SOD Superoxyde dismutase
TBAF Fluorure de tetrabutylammonium TBAI Iodure de tetrabutylammonium TBDPS tert-butyldiphénylsilyle
21 TEA Triéthylamine
Tf Trifluorométhanesulfonyle TFA Acide trifluoroacétique THF Tetrahydrofurane THP Tetrahydropyrane TIPS Triiso-propylsilyle TMS Triméthylsilyle
Tr Trityle
25
Introduction Générale
L’oxygène est un élément essentiel du fonctionnement des organismes vivants. A travers la respiration cellulaire au sein des mitochondries, celui-ci permet de fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement des organes. Cependant, au cours du fonctionnement des mitochondries, une petite partie des électrons s’échappe de la chaîne de transfert d’électron pour réduire le dioxygène dissout dans la mitochondrie sous la forme du radical anion superoxyde O2.-, et former, par transfert de radical, d’autre espèces oxygénées réactives (EOR).1
Ces radicaux libres pourront être éliminés dans une certaine mesure grâce à l’intervention d’espèces antioxydantes endogènes (enzymes ou hormones sexuelles par exemple) ou exogènes (vitamines, oligo-éléments, etc…).
Sous l’influence de divers phénomènes, comme l’augmentation de l’activité mitochondriale, l’apport d’une grande quantité d’oxygène ou des facteurs extérieurs tels que l’exposition aux UV ou à la pollution, les EOR sont formées en excès et ne peuvent pas toutes être contrées par les espèces anti-oxydantes. Cet excès d’espèces oxydantes est appelé stress oxydant.2
Les radicaux libres, caractéristiques du stress oxydant, apparaissent dans diverses pathologies, et ont une influence sur de nombreuses biomolécules. Ainsi, les acides gras polyinsaturés (AGPI) réagissent avec ces radicaux libres pour former une grande variété de métabolites oxygénés.3 Par exemple, l’acide arachidonique (AA, C20:4 n-6), peut être métabolisé enzymatiquement sous la forme des prostaglandines (PGs), bien connues. Mais
1 Delattre, J.; Beaudeux, J.-L.; Bonnefont-Rousselot, D. Radicaux libres et stress oxydant : Aspects biologiques et pathologiques, 2005, Lavoisier.
2
Pincemail, J. Stress oxydant et Antioxydants, Revue critique des processus d’action des antioxydants, 2013, Testez.
3
26 l’AA peut également être métabolisé de façon non-enzymatique sous deux formes communément appelées isoprostanes (IsoPs) et isofuranes (IsoFs) (Schéma 1).4
Schéma 1 : Les PGs, IsoPs et IsoFs, métabolites de l’AA
Les IsoPs et IsoFs, produits terminaux et stables de la peroxydation lipidique, formés notamment en conditions de stress oxydant, constituent d’excellent biomarqueurs du stress oxydant systémique.5 Par ailleurs, plusieurs de ces composés présentent des activités biologiques intéressantes, notamment aux niveaux neurovasculaire et pulmonaire.3
D’autres AGPI peuvent être métabolisés de la même manière. Ainsi, l’acide adrénique (AdA, C22:4 n-6) peut être métabolisé en dihomo-isoprostanes (dihomo-IsoPs),6 l’acide a-linolénique (ALA, C18:3 n-3) est métabolisé en phytoprostanes (PhytoPs) et l’acide docosahexaènoïque (DHA, C22:6 n-3) est métabolisé en neuroprostanes (NeuroPs)7 et neurofuranes (NeuroFs).8
4 Roberts II, L. J.; Fessel, J. P. Chem. Phys. Lipids 2004, 128, 173–186. 5 Roberts II, L. J.; Fessel, J. P.; Davies, S. S. Brain Pathol. 2005, 15, 143–148. 6
VanRollins, M.; Woltjer, R. L.; Yin, H.; Morrow, J. D.; Montine, T. J. J. Lipid Res. 2008, 49, 995–1005. 7
Nourooz-Zadeh, J.; Liu, E. H. C.; Yhlen, B.; Änggåard, E. E.; Halliwell, B. J. Neurochem. 1999, 72, 734–740. 8
Song, W.-L.; Lawson, J. A.; Reilly, D.; Rokach, J.; Chang, C.-T.; Giasson, B.; FitzGerald, G. A. J. Biol. Chem.
27 Bien que les isoprostanes et métabolites dérivant d’autres AGPI aient été pour la plupart largement décrits, les synthèses et études des métabolites tetrahydrofuraniques dérivant d’autres acides gras que l’AA sont assez rares. S’agissant d’une vaste famille de molécules (256 isomères pour les IsoFs, 512 pour les NeuroFs), il apparaît intéressant de développer une stratégie de synthèse flexible afin d’accéder à un maximum de ces métabolites et d’en étudier les propriétés comme biomarqueurs ainsi que leurs activités biologiques potentielles.
De manière générale, les métabolites tetrahydrofuraniques d’AGPI sont composés d’un cœur tetrahydrofuranique, porteur d’une fonction alcool, et de deux chaines latérales, pouvant être en cis ou trans l’une par rapport à l’autre, porteuses de deux fonctions alcool et de deux doubles liaisons de moins que l’AGPI correspondant (2 doubles liaisons pour les IsoFs et dihomo-IsoFs, 4 pour les NeuroFs), dont une double liaison E.
Les métabolites furaniques peuvent être répartis en deux catégories en fonction de la structure de leurs chaînes latérales : les composés de type alkényle, où chaque chaîne latérale porte une fonction alcool, dont une en position allylique de la double liaison E, et les composés de type ènediol, où les deux fonctions alcools sont sur la même chaîne latérale, en position allylique de la double liaison E (Figure 1).
Figure 1 : Structures des Dihomo-IsoFs
28 d’appliquer la stratégie qui sera développée en priorité aux molécules inédites que sont les dihomo-IsoFs, afin de mettre en évidence leur formation in vivo.
29
31
Partie I : Stress oxydant et Isofuranes
Chapitre 1 : Le stress oxydant
I. Radicaux libres et stress oxydant
1) Le paradoxe de l’oxygène
L’oxygène est un élément essentiel de la vie. En effet, il intervient dans la respiration cellulaire, mécanisme contribuant à la production d’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP), nécessaire au fonctionnement des organes. Cette respiration cellulaire, ayant lieu au sein de chaque cellule dans les mitochondries, constitue un ensemble de réactions chimiques visant à libérer des électrons (par la réduction du NADH) et des protons pour permettre la réduction du dioxygène en eau (Schéma 2).
Schéma 2 : Réduction du dioxygène en eau
(a) Le radical anion superoxyde
32 Schéma 3 : Réduction partielle du dioxygène en radical anion superoxyde
Bien que peu réactif vis-à-vis des biomolécules,9 le radical anion superoxyde possède une toxicité indirecte. En effet, celui-ci peut former d’autres espèces plus réactives, comme le radical perhydroxyle HO2., qui n’est autre que la forme protonée du radical superoxyde, et qui est suffisamment réactif pour réagir avec les acides gras polyinsaturés, par exemple.
(b) Le radical hydroxyle
Certaines enzymes, les superoxydes dismutases, catalysent la dismutation des radicaux superoxydes, pour former du peroxyde d’hydrogène (ou eau oxygénée) (Schéma 4).
Schéma 4 : Dismutation du radical superoxyde en peroxyde d’hydrogène
L’EOR la plus réactive formée à partir du radical superoxyde est le radical hydroxyle, obtenu selon la réaction d’Haber-Weiss catalysée par des cations métalliques (Schéma 5).10
Schéma 5 : Formation de radicaux hydroxyles selon la réaction d’Haber-Weiss
Ces radicaux hydroxyles sont quant à eux bien plus réactifs, puisque leur constante de vitesse de réaction avec la plupart des biomolécules (acides aminés, lipides, sucres ou autres)
9
Bielski, B. H. J.; Cabelli, D. E.; Arudi, R. L.; Ross, A. B. J. Phys. Chem. Ref. Data 1985, 14, 1041-1099 10
33 est de l’ordre de 1010 L.mol-1.s-1, caractéristique des réactions limitées uniquement par la diffusion (c'est-à-dire que chaque collision entre un radical hydroxyle et une biomolécule entraîne une réaction).11 Leur collision avec un substrat organique peut entraîner l’arrachement d’un électron ou d’un atome d’hydrogène, ou encore l’addition sur une double liaison.
(c) Les radicaux peroxyles, hydroperoxyles et alkoxyles
L’arrachement d’un atome d’hydrogène sur un composé organique par le radical hydroxyle ou l’addition sur une double liaison conduisent à la formation d’un radical centré sur le carbone. Celui-ci pourra alors s’additionner sur le dioxygène pour former un radical peroxyle (Schéma 6).
Schéma 6 : Formation des radicaux peroxyles
Bien moins réactifs que le radical hydroxyle mais plus que le radical superoxyde, les radicaux peroxyles peuvent tout de même attaquer des substrats biologiques (ADN, protéines et lipides notamment). Leur réaction sur des composés lipidiques entrainera la formation de nouveaux radicaux centrés sur le carbone, qui pourront à leur tour réagir avec l’oxygène, donnant lieu à une réaction en chaîne. L’arrachement d’un hydrogène par un radical peroxyle conduit à la formation d’hydroperoxydes RO2H, qui peuvent être décomposés par des cations métalliques pour former des radicaux alkoxyles RO.
(Schéma 7).
Schéma 7 : Formation de radicaux alkoxyles à partir d’hydroperoxydes
11
34 Les radicaux superoxyde, perhydroxyle, hydroxyle, peroxyle et alkoxyle constituent les principales EOR médiatrices du stress oxydant. La génération d’EOR toxiques, souvent assimilées au vieillissement depuis la théorie d’Harman développée en 1956, constitue le revers de la médaille de ce dioxygène synonyme de vie, d’où la notion de « paradoxe de l’oxygène ».12
2) Sources des Espèces Oxygénées Réactives
(a) La mitochondrie
La mitochondrie est un organite essentiel de la cellule. En effet, c’est au sein de cet organite qu’a lieu le cycle de Krebs permettant la dégradation des nutriments et la synthèse d’ATP, qui servira de source d’énergie à la cellule (Figure 2).
Figure 2 : Fonctionnement simplifié de la mitochondrie13
12
Harman, D. J. Gerontol. 1956, 11, 298-300 13
35 Lors de la respiration cellulaire, environ 2% de la production électronique est perdue, convertissant le dioxygène en radical superoxyde. Bien que ce chiffre paraisse faible, il s’agit de la principale source d’EOR dans l’organisme. Ceci peut être expliqué par la forte activité respiratoire des organismes aérobies. Par ailleurs, cette production peut être augmentée si la respiration devient plus intense (en cas d’effort physique notamment), ou dans le cas de désordres mitochondriaux.
(b) La NADPH-oxydase
La NADPH-oxydase est une enzyme membranaire catalysant la réduction du dioxygène en radical superoxyde, tout en oxydant du NADPH ou du NADH. Cette enzyme peut être retrouvée sous deux formes différentes, dans les membranes des cellules phagocytaires et dans les membranes des autres cellules. Dans les cellules non phagocytaires, cette enzyme présente une faible activité basale, alors qu’une activation est nécessaire dans les cellules phagocytaires.14 Toutefois, la production de radicaux superoxydes devient beaucoup plus importante dans les cellules phagocytaires activées, jusqu’à pouvoir dépasser occasionnellement la production d’EOR de la chaîne respiratoire mitochondriale. Par ailleurs, les différences structurelles entre les enzymes phagocytaires et non-phagocytaires font que la production de radicaux superoxydes est dirigée vers l’extérieur de la cellule dans le cas de cellules non-phagocytaires et vers l’intérieur pour les cellules phagocytaires. Ce mécanisme permet la destruction des corps étrangers phagocytés.
(c) La Xanthine oxydase
La xanthine oxydoréductase est une molybdo-enzyme présente chez toutes les espèces, notamment aux niveaux intestinal et hépatique chez les mammifères. Elle intervient dans
14
36 l’oxydation de l’hypoxanthine et de la xanthine lors du métabolisme des bases puriques. Elle réduit en outre l’O2 en anion superoxyde O2.-.15
Le phénomène d’ischémie entraîne un arrêt des pompes à calcium au niveau cellulaire. L’afflux de calcium dans la cellule active alors la xanthine oxydase, avec pour conséquence une surproduction d’EOR, qui permet d’expliquer en partie les lésions liées aux épisodes ischémiques.
(d) Les NO synthases
Une autre EOR importante est le radical monoxyde d’azote NO.. Celui-ci est produit par les NO synthases, situées notamment dans les cellules endothéliales, mais également au niveau neuronal et dans les macrophages. Il s’agit d’un sous produit de la transformation d’arginine en citruline.16
Une autre source de radicaux NO. est le tabagisme. En effet, chaque bouffée de
cigarette contient de l’ordre de 1015 radicaux libres, principalement monoxyde d’azote.
(e) Le cytochrome P450
Le cytochrome P450 est un ensemble d’enzymes situé principalement aux niveaux hépatiques et rénaux. Ces enzymes ont des propriétés redox qui contribuent à la métabolisation de divers composés toxiques. Les cycles redox mis en jeu entraînent la formation d’anion superoxyde, ce qui permet d’expliquer la toxicité des composés métabolisés au niveau du cytochrome P450, comme l’alcool, les pesticides ou certains médicaments.
15
Harrison, R. Free Rad. Biol. Med. 2002, 33, 774-797. 16
37
3) Comment contrer la production d’EOR : les espèces
antioxydantes
L’action des EOR est contrebalancée par un certain nombre d’espèces antioxydantes, de diverses formes, parmi lesquelles on peut distinguer les espèces antioxydantes endogènes et exogènes.
(a) Espèces endogènes
Au sein de l’organisme, l’activité des radicaux libres est régulée par plusieurs espèces enzymatiques ou non-enzymatiques. Parmi les espèces enzymatiques, on compte notamment la superoxyde dismutase (SOD), qui catalyse la dismutation de l’anion superoxyde (Schéma 8).
Schéma 8 : Dismutation de l’anion superoxyde
Il existe plusieurs types de SOD, certaines contenant du cuivre et du zinc,17 d’autres du manganèse.18 L’action des SOD est complétée par celle de la catalase, une enzyme composée d’entités ferriprotoporphyrine qui permet la dismutation du peroxyde d’hydrogène en eau (Schéma 9).
Schéma 9 : Dismutation du peroxyde d’hydrogène
17
Rae, T. D.; Torres, A. S.; Pufahl, R. A.; O’Halloran, T. V. J. Biol. Chem. 2001, 276, 5166-5176. 18
38 Le peroxyde d’hydrogène, ainsi que les autres peroxydes, peuvent aussi être réduits par les glutathion peroxydases (GPx), des enzymes à sélénium qui oxydent le glutathion réduit (GSH) en dimère de glutathion oxydé (GSSG) (Schéma 10).19
Schéma 10 : Réduction des peroxydes par la GPx
Ces trois enzymes constituent les principales espèces antioxydantes enzymatiques. Cependant d’autres espèces endogènes ont un caractère antioxydant. Ainsi la bilirubine, un produit de dégradation de l’hémoglobine, peut capter les radicaux peroxyles RO2. et stopper l’oxydation des acides gras (Figure 3).20
L’acide urique, produit de dégradation des bases puriques, peut quant à lui réagir avec les radicaux hydroxyles et peroxyles (Figure 3). Toutefois, le radical issu de la réaction de l’acide urique avec les EOR peut à son tour réagir, notamment sur les protéines. Il peut cependant être désactivé par la vitamine C, espèce antioxydante exogène (voir section (b)).21
L’ubiquinone, plus connue sous le nom de Coenzyme Q (CoQ), est un composant essentiel de la chaîne de transport d’électron mitochondriale. Le CoQ est également présent dans la plupart des membranes cellulaires, où il capte les radicaux peroxyles et permet ainsi de stopper la peroxydation lipidique (Figure 3).22
Le glutathion est un tripeptide (Glu-Cys-Gly) dont la fonction thiol de la cystéine confère une importante activité antioxydante (Figure 3). Ainsi, outre sa capacité à activer les enzymes GPx, il peut agir en tant que piège à radicaux, avant d’être réduit par la glutathion réductase. Ainsi, il peut contrer les radicaux hydroxyles, peroxyles et alkoxyles.23
19 Ursini, F.; Maiorino, M.; Brigelius-Flohé, R.; Aumann, K. D.; Roveri, A.; Schomburg, D.; Flohé, L. Diversity of glutathione peroxidases, in Methods in Enzymology, Academic Press, San Diego, 1995, 252, 38-53.
20 Neuzil, J.; Stocker, R. FEBS Lett. 1993, 331, 281-284. 21
Simic, M. G.; Jovanovic, S. V. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 5778-5782. 22
Ernster, L.; Dallner, G. Biochim. Biophys. Acta 1995, 1271, 195-204. 23
Halliwell, B.; Gutteridge, J. M. C. Free radicals in biology and medicine, 3rd Ed., Oxford University Press,
39 Figure 3 : Structures des principaux antioxydants endogènes
(b) Espèces exogènes
L’activité antioxydante des espèces endogènes est complétée par celle d’espèces exogènes, obtenues par l’alimentation. Ainsi, la vitamine E (ou tocophérol) de par sa fonction phénol, peut neutraliser les radicaux peroxyles et stopper la peroxydation lipidique (Figure 4). Toutefois, le radical tocophéryle ainsi obtenu n’est pas dénué d’activité. La vitamine E peut être reformée à partir du radical tocophéryle grâce au CoQ, ou bien par l’action de la vitamine C (ou acide ascorbique), un autre antioxydant exogène (Figure 4). L’espèce radicalaire issue de la vitamine C peut elle aussi être reconvertie en vitamine C par le glutathion.24
Plusieurs autres espèces exogènes ont un mode d’action similaire à celui de la vitamine E. On peut notamment citer les caroténoïdes, ou encore les polyphénols (Figure 4).25
Le zinc peut également être considéré comme une espèce antioxydante, de par son rôle de stabilisation des SOD.26 De même, le sélénium étant essentiel au fonctionnement de la GPx, il constitue un des oligo-éléments les plus importants.27
24
Beyer, R. E. J. Bioenerg. Biomembr. 1994, 26, 349-358. 25
Rice-Evans, C. A.; Miller, N. J.; Bolwell, P. G.; Bramley, P. M.; Pridham, J. B. Free Rad. Res. 1995, 22, 375-383.
26
40 Figure 4 : Structures des principaux antioxydants exogènes
II. Influence sur les biomolécules : la peroxydation lipidique
Les EOR, et principalement le radical hydroxyle, peuvent réagir avec plusieurs biomolécules et altérer leur structure. Ainsi, les bases de l’ADN peuvent être attaquées par le radical hydroxyle (Schéma 11).28
Schéma 11 : Attaque des radicaux hydroxyles sur la guanine
27
Burk, R. F. Nutr. Clin. Care 2002, 5, 75-79. 28
41 Ces radicaux réagissent également avec les protéines, notamment par addition sur les acides aminés aromatiques, et par abstraction d’hydrogène pour les acides aminés aliphatiques. Enfin, ces radicaux peuvent aussi réagir avec les lipides ; c’est cette réactivité qui nous intéressera ici.
1) Peroxydation lipidique
Concernant les lipides, je décrirais principalement le cas des acides gras polyinsaturés (AGPI). Ces composés organiques comportent une fonction acide au bout d’une longue chaîne carbonée contenant une ou plusieurs fonctions pentadienyle. L’AGPI le plus abondant dans les tissus est l’acide linoléique (LA, C18:2 n-6).
Les radicaux hydroxyles réagissent sur les AGPI par l’abstraction d’un hydrogène en position bis-allylique. Il en résulte la formation d’un radical pentadienyle résonnant (Schéma 12).29
Schéma 12 : Abstraction d’un hydrogène bis-allylique sur les AGPI
Ce radical pentadienyle peut alors réagir avec une molécule d’oxygène pour donner un radical peroxyle, qui pourra à son tour arracher un hydrogène bis-allylique (Schéma 13). La peroxydation lipidique peut donc devenir une réaction en chaîne dont le radical hydroxyle n’est que l’initiateur.30
29
Gardner, H. W. Free Rad. Biol. Med. 1989, 7, 65-86. 30
42 Schéma 13 : Etapes de propagation de la peroxydation lipidique
Bien que cette oxydation puisse avoir lieu spontanément de façon non-enzymatique, ces deux étapes d’abstraction d’hydrogène et d’homologation d’oxygène peuvent également être catalysées par des enzymes de la famille des lipo-oxygénases (LOX).31 Dans ce cas, la réaction a lieu sur des AGPI libres (non esterifiés), et le radical peroxyle formé capte un électron du fer ferreux de la LOX, pour former un anion peroxyle, qui capte alors un proton. Dans ce cas, il ne s’agit donc pas d’une réaction en chaîne.
L’acide arachidonique (AA) est un AGPI spécialement important. On le trouve plus particulièrement sous sa forme estérifié dans les membranes phospholipidiques, au sein de tous les organes. Outre les mécanismes d’auto-oxydation et l’influence des LOX, l’AA peut être métabolisé par les cyclo-oxygénases (COX), qui induisent une cyclisation pour former les prostaglandines (PGs), les thromboxanes et les levuglandines à partir d’un même intermédiaire endoperoxyde cyclique appelé H2-PG (Schéma 14).
31
43 Schéma 14 : Métabolisation de l’AA par la COX
Il est important de noter que les prostaglandines ont pour caractéristique de posséder deux chaînes latérales en trans l’une par rapport à l’autre, contrairement aux composés issus d’une peroxydation non-enzymatique.
2) Les isoprostanoïdes
(a) Découverte des isoprostanes
Dès 1967, des isomères des PGs furent observés lors d’analyses in vitro de l’auto-oxydation de l’AA.32,33,34 Cependant, ce n’est qu’en 1990 que Morrow et ses collaborateurs décrivent pour la première fois la présence d’isomères des PGs in vivo.35 Ces composés sont
32 Nutgeren, D. H.; Vonkerman, H.; Van Drop, D. A. Recl. Trav. Chim. Pays Bas 1967, 86, 1237. 33
Porter, N. A.; Funk, M. O. J. Org. Chem. 1975, 40, 3614-3615. 34
Pryor, W. A.; Stanley, J. P. J. Org. Chem. 1975, 40, 3615-3617. 35
44 alors appelés isoprostanes (IsoPs). Le mécanisme proposé pour leur formation constitue une cascade radicalaire qui suit l’auto-oxydation de l’AA (Schéma 15).
Schéma 15 : Mécanisme de formation des IsoPs
Contrairement aux PGs, les IsoPs comportent deux chaînes latérales en cis l’une par rapport à l’autre. De plus, les deux premières étapes (abstraction d’hydrogène et homologation d’oxygène) pouvant avoir lieu sur plusieurs positions, il existe un grand nombre d’isomères de position des IsoPs. En comptant les possibles diastéréomères, on peut décompter 64 possibles isomères d’IsoPs.
Par ailleurs, les IsoPs sont formées principalement sous leur forme estérifiée dans les membranes phospholipidiques, contrairement aux PGs, et ne sont qu’ensuite libérées par des phospholipases.36 Cela fait de ces métabolites d’excellents marqueurs de la peroxydation lipidique membranaire, à ce jour considéré comme les meilleurs biomarqueurs du stress oxydant.37
L’auto-oxydation de l’AA mène à la formation de structures endoperoxydes appelées H2-IsoPs. Toutefois, ces endoperoxydes peuvent ensuite être réduits par le glutathion et d’autres thiols, pour former les structures F2-IsoPs (Schéma 16). Ces H2-IsoPs peuvent également subir un réarrangement pour former des structures cyclopentanone, appelées E2- et
36
Morrow, J. D.; Awad, J. A.; Boss, H. J.; Blair, I. A.; Roberts, L. J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1992, 89, 10721-10725.
37
45 D2-IsoPs. Morrow et al. ont montré que les séries E2- et D2- étaient formées préférentiellement à la série F2- en conditions faiblement réductrices.38
Schéma 16 : Métabolisation des H2-IsoPs
Les séries D2- et E2- d’IsoPs peuvent par la suite subir une déshydratation pour former des structures cyclopentènone nommées J2- et A2-IsoPs.39
Outres ces structures isoprostanes, les H2-IsoPs peuvent également se réarranger en structures similaires aux thromboxanes, appelées isothromboxanes, et aux levuglandines, appelés isolevuglandines ou isocétals (Figure 5).40
38
Morrow, J. D.; Roberts, L. J.; Daniel, V. C.; Awad, J. A.; Mirochnitchenko, O.; Swift, L. L.; Burk, R. F. Arch. Biochem. Biophys. 1998, 353, 160-171.
39
Chen, Y.; Morrow, J. D.; Roberts, L. J. J. Biol. Chem. 1999, 274, 10863-10868. 40
46 Figure 5 : Structure des isothromboxanes et isocétals
(b) Autres isoprostanoïdes
L’acide a-linolénique (ALA), un AGPI particulièrement abondant dans les plantes, est également métabolisé en conditions de stress oxydant. Les isoprostanoïdes ainsi formés sont appelés les phytoprostanes (PhytoPs).
Plus récemment, il a été montré que d’autres AGPI pouvaient s’auto-oxyder de façon similaire à l’AA, pour former d’autres structures isoprostanoïdes, comportant des chaînes latérales différentes. Ainsi, l’acide docosahexaènoïque (DHA), qui est l’AGPI le plus abondant au niveau neuronal, est métabolisé en structures isoprostanoïdes appelées neuroprostanes (NeuroPs).5,41 Ces NeuroPs constituent des biomarqueurs spécifiques du stress oxydant neuronal, mis en évidence en plus grande quantité dans des cerveaux et des liquides cérébro-spinaux de patients atteints d’Alzheimer que dans des cerveaux et des liquides cérébro-spinaux de sujets sains (Figure 6). Cependant, cette méthode de dosage étant très invasive, l’application en clinique est compromise.
41
47 Figure 6 : Concentration de F4-NeuroPs (notés ici NPs) et F2-Isops dans le gyrus temporal
supérieur et moyen (SMTG), l’hippocampe (HIPPO), le lobule parietal inférieur (IPL) et le cervelet (CBL) de patients atteints d’Alzheimer et de sujets sains 42
L’acide adrénique (AdA) est un AGPI que l’on retrouve principalement dans la myéline, au sein de la substance blanche du cerveau, ainsi que dans la rétine. Il a été récemment montré que celui-ci pouvait être métabolisé de façon similaire à l’AA et au DHA pour former des isoprostanoïdes appelés dihomo-isoprostanes (dihomo-IsoPs).4 Plus récemment encore, il a été montré que les dihomo-IsoPs étaient formées en grande quantité dans le premier stade du syndrome de Rett, une maladie génétique rare affectant principalement les jeunes filles dans leur développement psychomoteur (Figure 7).
42
Reich, E. E.; Markesbery, W. R.; Roberts, L. J.; Swift, L. L.; Morrow, J. D.; Montine, T. J. Am. J. Pathol.
48 Figure 7 : Dosage des dihomo-IsoPs dans le plasma de patients atteints du syndrome de Rett aux
quatres stades de la maladie comparés aux sujets sains 43
Ces résultats font des dihomo-IsoPs les premiers marqueurs précoces du syndrome de Rett, et potentiellement d’autres maladies liées à la myéline.
(c) Activités biologiques
Outre l’intérêt comme biomarqueur, les isoprostanoïdes possèdent un certain nombre d’activités biologiques intéressantes.44 Ainsi, la 15-F2t-IsoP présente des propriétés vasoconstrictrices, ce qui n’est pas le cas de la 5-F2t-IsoP.45,46
43
De Felice, C.; Signorini, C.; Durand, T.; Oger, C.; Guy, A.; Bultel-Poncé, V.; Galano, J.-M.; Ciccoli, L.; Leoncini, S.; D’Esposito, M.; Filosa, S.; Pecorelli, A.; Valacchi, G.; Hayek, J. J. Lipid Res. 2011, 52, 2287-2297. 44 Galano, J.-M.; Oger, C.; de la Torre, A.; Cuyamendous, C.; Bultel-Poncé, V.; Guy, A.; Reversat, G.; Durand, T., Phytoprostanes, Isoprostanes and Neuroprostanes: The Lovely Story of n-3 and n-6 Polyunsaturated Fatty Acids Metabolites, in Polyunsaturated fatty acids: Sources, Antioxidant Properties and Health Benefits, 2013, Nova Science Publishers.
45
Cracowski, J.-L. Chem. Phys. Lipids 2004, 128, 75-83. 46
49 L’importance des AGPI pour la rétine et l’influence du stress oxydant sur les pathologies de la rétine, notamment le glaucome, font des IsoPs des sujets de choix pour les études de pharmacologie de la rétine.47,48 Ainsi les deux épimères en C5 de la 5-F2t-IsoP présentent chacun une activité différente inhibitrice de la libération de neurotransmetteur dans les rétines bovines.49
Il est de notoriété publique que les AGPI n-3 ont des effets cardioprotecteurs.50 Une étude récente de notre laboratoire en collaboration avec l’équipe du Pr. Le Guennec a permis de montrer que ces effets étaient aussi dus aux métabolites oxygénés de ces AGPI. La 4-F4t -NeuroP, notamment, présente une très forte activité anti-arhytmique.51
Les PhytoPs présentent également des activités biologiques intéressantes. Ainsi, plusieurs études sur des plantes montrent que plusieurs séries de PhytoPs permettent l’activation de gènes liés à la détoxification et à d’autres mécanismes de protection.52,53,54 Ainsi, la formation de PhytoPs constituerait une réponse adaptationnelle des plantes aux lésions oxydantes. Les activités biologiques des PhytoPs concernent également les modèles animaux et humains. Par exemple, plusieurs PhytoPs présentent une activité anti-inflammatoire similaire à celle des PGs. En outre, les A1-PhytoPs entraînent l’apoptose de cellules leucémiques Jurkat.55 Sachant que l’ALA est particulièrement abondant dans l’huile d’olive, les activités bénéfiques des PhytoPs pourraient contribuer à expliquer les effets positifs de la cuisine méditerranéenne.
47 Izzotti, A.; Bagnis, A.; Saccà, S. C. Mutat. Res. 2006, 612, 105–114.
48 Opere, C. A.; Ford, K.; Zhao, M.; Ohia, S. E. Methods Find. Exp. Clin. Pharmacol. 2008, 30, 697–701. 49 Jamil, J.; Wright, A.; Harrison, N.; Kegey, E.; Flowers, A. F.; Flyod, N. J.; Kotera, C.; Guy, A.; Galano, J.-M.; Durand, T.; Njie-Mbye, Y. F.; Ohia, S. E.; Opere, C. A. Neurochem. Res. 2012, 37, 574–582.
50
Mozaffarian, D.; Wu, J. H. Y. J. Am. Coll. Cardiol. 2011, 58, 2047–2067. 51
Le Guennec, J.-Y.; Durand, T.; Oger, C.; Galano, J.-M.; Thireau, J.; Bultel-Poncé, V.; Guy, A.; Roy, J., WO2014086819, 2014.
52
Thoma, I.; Loeffler, C.; Sinha, A. K.; Gupta, M.; Krischke, M.; Steffan, B.; Roitsch, T.; Mueller, M. J. Plant J.
2003, 34, 363–375.
53 Loeffler, C.; Berger, S.; Guy, A.; Durand, T.; Bringmann, G.; Dreyer, M.; Rad, U. von; Durner, J.; Mueller, M. J. Plant Physiol. 2005, 137, 328–340.
54
Mueller, S.; Hilbert, B.; Dueckershoff, K.; Roitsch, T.; Krischke, M.; Mueller, M. J.; Berger, S. Plant Cell Online 2008, 20, 768–785.
55
50
III. Conclusion
51
Chapitre 2 : Isofuranes et isofuranoïdes
I. Découverte des isofuranes et autres isofuranoïdes
1) Les isofuranes
(a) Découverte des isofuranes
52 Schéma 17 : Etape d’exclusion à l’origine de la formation des IsoPs
En décembre 2002, Fessel et al. ont rapporté la découverte de nouveaux composés de l’auto-oxydation de l’AA in vitro, correspondant probablement aux produits issus de l’homologation de O2.56 Ces composés avaient des propriétés chromatographiques similaires aux F2-IsoPs, mais avec une masse supérieure de 16 Da. Les auteurs ont alors supposé que les composés ainsi découverts comportaient des similarités structurelles avec les F2-IsoPs, et ont envisagé la présence d’un époxyde ou d’un carbonyle pour expliquer l’augmentation de 16 Da de la masse. Un traitement acide, n’entraînant aucune modification, a permis d’écarter l’hypothèse de l’époxyde. De même, la resistance à des conditions de réduction et au traitement par l’hydrochlorure de méthoxyamine ont permis d’exclure l’hypothèse d’un carbonyle. La fonctionnalisation par des TMS nonadeutérés a permis de dénombrer trois fonctions alcool, et une hydrogénation révéla 2 doubles liaisons, après analyse par spectrométrie de masse. Ainsi, les auteurs proposèrent des structures tetrahydrofuraniques
56
53 pour expliquer l’augmentation de 16 Da de la masse (Schéma 18). Ce type de structure avait déjà été observé lors de l’oxydation enzymatique in vitro d’AGPI.57,58 Ces composés ont alors été appelés isofuranes (IsoFs) par analogie avec les isoprostanes.
Schéma 18 : Les IsoPs et IsoFs, métabolites de l’AA
(b) Isofuranes et tension en oxygène
Il avait déjà été observé que la formation de F2-IsoPs n’augmentait en fonction de la tension en oxygène que jusqu’à 21%.37 Au-delà, on observe un plateau (Figure 8). En revanche, et comme Fessel et al. en avaient émis l’hypothèse, la formation d’IsoFs continue d’augmenter pour des tensions en oxygène supérieures à 21%, et ce jusqu’à 100%.
57
Pace-Asciak, C. Biochemistry 1971, 10, 3664-3669. 58
54 Figure 8 : Influence de la tension en oxygène sur la formation in vitro de F2-IsoPs et IsoFs 56
Par ailleurs, une analyse in vivo permet de retrouver un ratio IsoFs/IsoPs supérieur à 2 dans les organes abondamment oxygénés tels que le cerveau ou les reins, et un faible ratio dans le foie, organe faiblement oxygéné (Figure 9).
55 Ces résultats tendent à indiquer que les IsoFs pourraient être des biomarqueurs du stress oxydant complémentaires aux F2-IsoPs. En outre, la similarité de leurs propriétés chromatographiques permet d’envisager le dosage simultané de ces deux types de composés pour avoir une évaluation plus complète des lésions oxydatives.
L’intérêt des IsoFs comme biomarqueur du stress oxydant semble spécialement adapté dans le cas des lésions pulmonaires dues à une ventilation artificielle avec des concentrations supraphysiologiques en oxygène (supérieures à 21%). Ainsi, Fessel et al. ont évalué la formation d’IsoPs et IsoFs dans des tissus de souris exposées à une concentration en oxygène supérieure à 98%, pour observer une plus forte augmentation des IsoFs par rapport aux IsoPs (Figure 10).
Figure 10 : Concentrations en IsoPs et IsoFs basales et après 3h d’exposition à une concentration en oxygène >98% dans les tissus de poumons de souris 56
56
2) Autres isofuranoïdes
Il a été montré que l’AA pouvait être métabolisé en IsoPs et IsoFs, qui se sont avérés être des biomarqueurs complémentaires de la peroxydation lipidique. Il a également été montré que le DHA pouvait également être métabolisé de façon similaire à l’AA sous forme de NeuroPs, qui sont des biomarqueurs plus spécifiques de la peroxydation lipidique neuronale. En 2004, Browne et al. ont observé dans des cerveaux de souris des composés ayant des propriétés chromatographiques similaires aux NeuroPs, mais avec une masse de 16 Da supérieure.59 Bien que les auteurs aient supposé qu’il s’agissait de métabolites isofuranoïdes, ce n’est qu’en 2008 que Song et al. ont démontré que le DHA était également métabolisé en composés de types isofuranoïdes, appelés neurofuranes (NeuroFs).8 Au cours de l’analyse par LC/MS de lipides extraits de foies de souris exposées au CCl4, les auteurs ont observés, outre les massifs correspondant aux IsoPs, IsoFs et NeuroPs, un quatrième massif, dont les ions avaient une masse supérieure de 16 Da aux NeuroPs et de 24 Da aux IsoFs. Après dérivatisation par des TMS nonadeutérés, hydrogénation, traitement en milieu acide et en milieu réducteur, Song et al. ont conclu à la formation de structures isofuranoïdes dérivant du DHA.
Toutefois, une analyse de l’auto-oxydation in vitro du DHA en contrôlant la pression d’oxygène permet de voir que, contrairement aux IsoFs, la formation de NeuroFs n’augmente pas jusqu’à 100% de tension en oxygène (Figure 11).
Figure 11 : Influence de la tension en oxygène sur la formation de NeuroFs 8
59
57 Ce résultat peut s’expliquer par la présence de plusieurs fonctions pentadienyle pouvant subir une sur-oxydation sur les chaînes latérales des NeuroFs, ainsi que la présence de doubles liaisons supplémentaires permettant la formation de bis-endoperoxydes et de structures dioxolanes-NeuroFs.60
Par ailleurs, l’analyse de la formation de NeuroFs et NeuroPs in vivo dans le foie de souris après traitement au CCl4 montre clairement que la production de NeuroFs est largement favorisée (Figure 12).
Figure 12 : Formation de NeuroFs et NeuroPs dans le foie de souris exposées au CCl4 en fonction
du temps 8
Il a été montré que l’AdA était métabolisé de façon similaire à l’AA en dihomo-IsoP. Etant donné que l’AA et le DHA peuvent être métabolisés en isofuranoïdes, il apparaît probable que l’AdA soit également métabolisé en isofuranoïdes, appelés dihomo-isofuranes (dihomo-IsoFs). De même, il semble raisonnable d’imaginer que l’ALA pourrait également être métabolisé sous la forme de composés isofuranoïdes, que l’on appelerait phytofuranes (PhytoFs).
60
58
II. Biosynthèse :
trois
mécanismes
pour
une
foule
d’isomères
Pour répondre aux questions mécanistiques que soulève la formation des IsoFs, Fessel
et al. ont réalisé des essais d’auto-oxydation sous atmosphère de 18O2. Ces essais ont donné lieu à la formation de deux types de composés, d’une masse supérieure de 6 et 8 Da, indiquant que 3 ou 4 atomes d’oxygène provenaient du dioxygène. Afin de vérifier que le composé à +6 Da ne provenait pas d’une contamination du 18O2 par l’air, les auteurs ont réalisé la même expérience sous atmosphère de 16O2 et dans H218O. Dans ce cas, deux types de composés étaient observés, un dont la masse ne changeait pas, et un d’une masse supérieure de 2 Da, confirmant que deux mécanismes s’opposaient, un permettant l’incorporation de 4 atomes d’oxygène provenant de l’air, et l’autre permettant l’incorporation de 3 atomes d’oxygène provenant de l’air et un provenant de l’eau. Il est à noter que ce dernier mécanisme semble majoritaire puisque les produits de masse supérieure de 2 Da sont observés en quantité environ 5,5 fois plus importante.56
59 Schéma 19 : Mécanisme par clivage de peroxyde cyclique pour le formation d’IsoFs
60 « d’exclusion d’oxygène ») est en compétition avec l’homologation de O2, qui sera bien évidemment favorisée en conditions de forte tension en oxygène (Schéma 20).
Schéma 20 : Formation préférentielle d’IsoFs par rapport aux IsoPs en conditions riches en oxygène
61 Schéma 21 : Mécanisme par ouverture d’époxyde pour la formation d’IsoFs
