Synthèse peptidique

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Synthèse peptidique
Objectif : à partir de documents relatifs à la synthèse peptidique, analyser les stratégies de synthèse in vitro et
in vivo.
A l'aide des documents ci-joints répondre aux questions suivantes.
1. a) Définir un peptide et une protéine. En quoi diffèrent-ils ?
b) Citer quelques-uns de leurs rôles biologiques.
c) Définir une liaison peptidique. Quelle est sa géométrie ? Justifier et discuter les conséquences.
d) Qu’entend-on par structures primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire des polypeptides ?
e) A partir de combien d'acides α-aminés différents sont formées les protéines humaines ? On appellera
N la valeur proposée.
f) La glutathione est un tripeptide présent dans beaucoup de cellules qui les protège des agents oxydants.
Si l'on dispose d'un mélange de N (valeur trouvée précédemment) acides α-aminés, combien de
tripeptides différents peut-on obtenir ? Conclure.
2. Synthèse de l'aspartame : un exemple de dipeptide
a) Pourquoi est-il nécessaire de protéger certaines fonctions ? Indiquer quelles sont les étapes de
protection. Nommer les fonctions mises en jeu avant et après protection. Justifier le terme de protection.
b) Indiquer quelles sont les étapes d'activation. Nommer les fonctions mises en jeu avant et après
activation.
c) Interpréter la régiosélectivité de l'étape 3 du document 2.
d) Donner le (ou les) mécanisme(s) de l'étape 5. Justifier le rendement obtenu.
e) Quel est l'inconvénient d'une stratégie de synthèse organique utilisant de nombreuses
protections/déprotections ?
3. Protections – Activations
Souvent, en synthèse peptidique, la fonction amine d’un des acides aminés est bloquée par un
groupement t-butoxycarbonyle (appelé Boc) et l'étape de couplage utilise la méthode dite des "esters
activés" dont l'un des exemples phares est la méthode au DCC-HOBt.
a) Réaction de protection par le groupe Boc
a1) Préciser le comportement électrophile ou nucléophile de chacun des réactifs.
a2) Proposer un mécanisme pour cette réaction en milieu basique.
a3) Proposer un mécanisme pour l'étape de déprotection.
b) Couplage au DCC-HOBt
b1) Proposer un mécanisme pour la formation de la O-acylurée.
b2) Pourquoi le carbonyle de la O-acyl urée formée est-il plus réactif que le carbonyle d’une
fonction acide carboxylique ?
b3) Justifier pourquoi l'étape de couplage est quantitative (ou presque).
4. Synthèse en phase solide
On désire synthétiser le dipeptide Val-Ala par synthèse en phase solide (pour Val, R = –CHMe2 et pour
Ala, R = –Me). On dispose de la résine de Merrifield, copolymère styrène-divinylbenzène dont certains
cycles contiennent le substituant –CH2–Cl. Pour simplifier le raisonnement, la résine sera notée
Res–CH2–Cl.
a) Quel amino-acide accroche-t-on en premier sur la résine ? Justifier.
b) Proposer des conditions opératoires pour cette étape d'accrochage et écrire son mécanisme.
5. Stratégie globale de synthèse peptidique
On désire synthétiser un peptide constitué de 60 amino-acides. Les AA protégés sur la fonction amine
ainsi que sur leurs chaînes latérales sont commerciaux. Pour chaque résidu, on suppose que la séquence
"activation de COOH - couplage - déprotection de NH2" a un rendement de 98%.
a) Calculer le rendement de synthèse si on utilise une synthèse séquentielle. Commenter.
b) Proposer une meilleure stratégie et donner son rendement.
6. Dégager les analogies et les différences entre la synthèse in vivo des peptides et leur synthèse in vitro sur
phase solide.
7. Commenter la figure 3 du document 7.

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Document n°1
Les acides aminés et la synthèse peptidique
Publié le 15/05/2013 sur http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/les-acides-aminés-et-la-synthèse-
peptidique
1. Introduction
Les protéines, un assemblage tridimensionnel d’acides aminés, sont omniprésentes dans nos organismes. Elles
assurent une multitude de fonctions biologiques (régulation des gènes, structure des cellules, rôle de catalyseur
des processus biologiques…) Après avoir étudié la nature de ces macromolécules, on s’intéressera à la synthèse
peptidique, c’est-à-dire à la synthèse des protéines. Un bref rappel des étapes des mécanismes cellulaires
permettra de comparer cette synthèse in vivo à la synthèse dite in vitro, mise en place par les chimistes.
Pourquoi recréer des protéines ? D’un point de vue fondamental, on doit au physicien Richard Feynman (Prix
Nobel 1965) la citation « What I cannot create, I do not understand » (Ce que je ne peux pas créer, je ne le
comprends pas ). En synthétisant les protéines de leur choix, les scientifiques peuvent mieux les étudier et
comprendre leurs modes de fonctionnement. D’un point de vue plus pratique, on souhaite synthétiser les
protéines cibles pour mettre à contribution leurs multiples fonctions.
2. Macromolécules
2.1 Acide α-aminé
Structure Générale :
Un acide α-aminé est un composé polyfonctionnel, possédant à la fois un groupe caractéristique –COOH et un
groupe caractéristique –NH2. En milieu biologique, où le pH est souvent tamponné aux alentours de 7 (pH
physiologique), les acides α-aminés sont chargés, d’une part négativement avec le groupe –COO- (pKa=3) et
d’autre part positivement, avec le groupe –NH3+ (pKa=9). L’atome de carbone dit « en alpha », c’est-à-dire
immédiatement voisin du groupe –COOH,
porte une chaîne carbonée appelée chaîne
latérale (Figure 1).
Fig. 1 : Structure générale d’un acide
α-aminé, avec la fonction amine en bleu
et la fonction acide carboxylique en
rouge.
Le groupe R représente la chaîne latérale de l’acide aminé.
Les 20 acides α-aminés naturels :
La chaîne latérale donne son nom à l’acide α-aminé considéré. Il ne s’agit pas de nomenclature systématique,
mais de noms d’usage. Dans le corps humain, il y a 20 acides α-aminés différents, bien que l’un d’entre eux, la
proline, fasse plus rigoureusement partie de la famille des imino acides. Pour plus de commodité, un code
international de correspondance à 1 et 3 lettres peut être utilisé pour désigner chacun de ces vingt acides
aminés. Le groupe R est souvent appelé « résidu » et peut comporter des groupes caractéristiques (Les Acides
Aminés [1]).
Selon la nature la chaîne latérale, l’acide α-aminé considéré aura différentes propriétés. Une chaîne alkyle
engendrera un caractère plus hydrophobe, la présence d’une fonction alcool un
caractère plus hydrophile. La charge totale de l’acide α-aminé peut également varier
selon la présence de groupes chargés dans la chaîne latérale (–COO-, –NH3+...).
Fig. 2 : Un centre stéréochimique des acides α-aminés : l’atome de carbone
asymétrique est dans un environnement tétraédrique.
Une particularité notable dans ces composés est le fait qu’un seul énantiomère est
présent dans la nature. Dans les cas où la molécule possède 2 atomes de carbone asymétriques, un seul des
diastéréoisomères est présent dans la nature. En nomenclature de Cram, les acides α-aminés possèdent une
configuration S, à l’exception de la cystéine qui a une configuration R.

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2.2 Peptide
Liaison peptidique :
Un peptide est un enchaînement d’acides α-aminés. Lorsqu’un grand nombre (plus d’une dizaine) d’acide
α-aminés sont reliés entre eux, la macromolécule est appelée protéine. Les acides aminés sont reliés entre eux
par une liaison peptide (Figure 3).
Fig. 3 : Formation d’une liaison peptide (entourée). Les groupes réagissant ensemble sont encadrés.
Il s’agit d’une liaison amide obtenue par réaction d’une fonction acide carboxylique et d’une fonction amine et
qui libère une molécule d’eau. Les quatre atomes (C, N, O et H) sont dans un même plan, c’est-à-dire que les
liaisons sont coplanaires.
Polymère d'acides α-aminés :
L’exemple précédent montre l’obtention d’un dipeptide, c’est-à-dire d’une molécule composée de 2 acides α-
aminés. Le dipeptide conserve une fonction amine primaire, du côté du N-terminus, et une fonction acide
carboxylique de l’autre côté, au C-terminus. Le dipeptide possède ainsi les mêmes groupes fonctionnels que
l’acide α-aminé, et peut ainsi continuer à réagir pour conduire à un polymère.
Peptide et protéines :
Traditionnellement, la séquence d’acides α-aminés composant un peptide est lue du N terminus au C terminus.
Il est en effet capital de distinguer l’ordre d’enchaînement des acides α-aminés, car les peptides obtenus ne
possèdent pas les mêmes propriétés.
Fig. 4 : Exemples de dipeptides et de tripeptides.
Les peptides et protéines sont des composés de masses molaires très variées. Certains peptides sont
relativement petits (moins d’une dizaine d’acides aminés), mais les protéines sont des macromolécules qui
possèdent des masses molaires très élevées. La taille d’une protéine est très variable, et pour chaque unité
« acide α-aminé » il existe 20 composés différents, il est donc peu surprenant qu’il existe un large éventail de
protéines dans la nature, remplissant des rôles tout aussi variés.

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Document n°1b
Traité de chimie organique de Vollhardt et Schore, De Boeck Université, 2ème édition
Les protéines se replient sous forme de feuilles plissées ou d'hélices : structures secondaires et tertiaires
Tandis que la séquence des acides aminés de la chaîne définit la structure primaire, son motif de pliures sous-
tend la structure secondaire dudit polypeptide.
La structure secondaire est surtout le résultat de la rigidité des liaisons amide et de la maximalisation des
interactions par liaisons hydrogène et autres liaisons non covalentes au sein de la (des) chaîne(s). Il existe deux
arrangements importants : la structure en feuille plissée, ou configuration , et l'hélice .
Figure 26.3
A
(A) La structure en feuille plissée, ou configuration , qui est maintenue en place par des liaisons hydrogène (lignes en pointillé)
entre deux brins polypeptidiques. (D'après « Proteins », par Paul Doty, Scientific American, septembre 1957, Copyright ©,
1957, Scientific American, Inc.)
B
(B) Les liaisons peptidiques définissent les divers feuillets ; les positions des chaînes
latérales, R, se présentent alternativement au-dessus et en dessous des plans desdits
feuillets. Les lignes pointillées représentent des liaisons hydrogène avec une chaîne
voisine ou avec l'eau.
Dans la structure en feuille plissée (figure 26.3), deux chaînes se placent parallèlement de manière à faire
correspondre les groupes amino d'un peptide avec les groupes carbonyle d’un second, en regard desquels des
liaisons hydrogène peuvent alors se former. De telles liaisons peuvent également apparaître dans une seule
chaîne si celle-ci se replie sur elle-même. Les diverses liaisons hydrogène de ce type peuvent conférer une
rigidité considérable au système. Les plans définis par les liaisons amide adjacentes forment entre eux un
angle précis, ce qui donne lieu à une géométrie qui correspond à la structure en feuille plissée.
L'hélice  (figure 26.4) permet de réaliser des liaisons hydrogène intramoléculaires entre les acides aminés
avoisinants d’une même chaîne. On trouve en général 3,6 acides aminés par enroulement de l'hélice, avec
une période d’identité de 5,4 Å.
Les polypeptides n’adoptent pas tous des structures idéalisées telles que celles-ci. Si trop de charges du même
signe apparaissent tout au long de la chaîne, la répulsion électrostatique va encourager une orientation plus
désorganisée. De plus, l'encombrante proline, étant donné que l'azote aminé y fait partie du substituant vu sa
cyclisation, peut provoquer un tortillement ou un coude dans l’hélice .

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Figure 26.4
L ' hélice , dans laquelle la chaîne de polymère est arrangée sous forme d ' une spirale à pas droit maintenue en forme de
manière rigide par des liaisons hydrogène intramoléculaires. ( D'après « Proteins », par Paul Doty , Scientific American,
septembre 1957, Copyright ©1957, Scientific American, Inc.)
Finalement, le plissement, l 'enroulement et les autres processus d ' agrégation des
polypeptide s aboutissent à ce que l ' on appelle leur structure tertiaire. Diverses forces, provenant
toutes des groupes R , entrent en jeu pour stabiliser de telles molécules : celles-ci comprennent des
ponts disulfure, des liaison s hydrogène , des forces de London ainsi que des attractions et des
répulsions électrostatiques. Y interviennent aussi des effets micellaires : le polymère adopte une
structure qui rend ma x imale l'exposition des groupes polaires à l'environnement aqueux, tout en
minimisant l'exposition des groupes hydrophobes (par ex., alkyle et phényle). Des repliements
prononcés s'observent dans le cas des protéines globulaires, dont bon nombre réalisent des
transports chimiques ou de la catalyse (par ex., la myoglobine et l'hémoglobine ). Dans les
protéines fibreuses, telle la myosine (dans le muscle) et l' -kératine (dans le s cheveux, les ongles et
la laine), diverses hélices sont enroulées de manière à produire une superhélice (fi gure 26.5).
Figure 26.5
Représentation idéalisée d'une superhélice,
c ' est-à-dire d'une hélice dans une hélice.
La structure tertiaire des enzymes et des protéines transporteuses (protéines qui véhiculent des
molécules d'un endroit vers un autre) fait généralement apparaître des cavités
tridimensionnelles, qu'on appelle des sites actifs. La taille et la forme de ces sites actifs offre un «
emboîtement » potentiel tout à fait spécifique pour tel ou tel substrat, c'est-à-dire pour la molécule qui
fait l ’objet du rôle de ladite protéine. Typiquement, la surface interne de la cavité contient un
arrangement particulier de chaînes latérales d'acides aminés polaires qui attirent les groupes
fonctionnels du substrat ciblé par des liaisons hydrogène ou par des interactions ioniques. Dans le s
enzymes, le site actif présente des groupes fonctionnels de même que des molécules d'appoint d ’une
manière telle que sa réaction avec le substrat soit favorisée. La dénaturation, ou démantèlement de
la structure tertiaire d ' une protéine, provoque habituellement la précipitation de ladite protéine et
annihile toute son activité catalytique. La dénaturation est provoquée par l'action de la chaleur ou
par des pH trop acides. Que l ’on songe , par exemple, à ce qui se passe lorsqu ' un blanc d’œuf est déversé
dans une poêle à frire chaude ou lorsqu’o n ajoute du lait à du thé citronné.
Certaines molé cules, comme par exemple l ’ hémoglobine adoptent également un e structure
quaternaire, dans laquelle deux ou plus de deux chaînes d'acides aminés, chacune possédant sa
propre structure tertiaire, se combinent pour former un assemblage plus volumineu x .