ORIGINES ET PROPRIETES BIOLOGIQUES DES CYCLOPEPTIDES

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Nomenclature et nature des acides aminés

Nomenclature des acides aminés

Les acides aminés se différencient les uns aux autres par leur chaîne latérale R. Ainsi il est possible donc de faire une infinité d’acides aminés. Cependant chez l’homme ainsi que chez de nombreuses espèces on constate que seuls vingt acides aminés différents sont incorporés dans la protéine au moment de la traduction [2].
NB : les deux autres acides aminés à savoir la pyrrolysine et la sélénocysteine sont spécifiques à certaines protéines :
– la pyrrolysine ne se rencontre que chez certaines archées méthanogènes,
– la sélénocysteine est présente même chez les eucaryotes mais à priori dans quelques enzymes de la famille des oxydo-reductases [5].
Pour plus de commodité un code international de correspondance à une et à trois lettre peut être utilisé pour désigner chacun des acides aminés (Tableau 01).

Nature des acides aminés

Les acides aminés sont souvent distingués d’après les propriétés caractéristiques de leur chaîne latérale :
– Les acides aminés apolaires (ou aliphatiques, hydrophobes) tendent à occuper le cœur des protéines, ou offrent des points d’adhérence à leur surface.
– Les acides aminés polaires (hydrophiles) tendent à occuper la surface des protéines. Parmi ceux-ci certains sont acides c’est-à-dire ceux qui ont plus de groupement CO2H que de NH2, d’autres sont basiques c’est-à-dire les acides aminés ayant plus de fonctions amine que de fonction acide, l’égalité est pour les acides aminés neutres [3].

Propriétés chimiques des acides aminés

Solubilité

La plus part des acides aminés subissent facilement une solvatation dans les solvants polaires tel que l’eau ou l’alcool (particulièrement proline et hydroxyproline) dans lesquels ils sont solubles. En effet ; les zwitterions, sels internes ont des propriétés physiques proches des structures ioniques parmi lesquelles la grande solubilité dans l’eau et les solvants polaires. D’autre part les acides aminés sont solubles, mais à moindre degré dans des solvants apolaires. Cependant il est important de retenir que cette solubilité est largement dépendante de la chaîne latérale : la solubilité dans l’eau et les solvants polaires diminue avec le nombre d’atomes de carbone du radical, mais augmente inversement si le radical R est porteur d’un groupement polaire et hydrophile (CO2H, NH2, OH).
Ex : la tyrosine par son noyau aromatique est peu soluble : 0,04%. De même que la cystéine et la leucine [2, 5].

Absorption

Les solutions d’acides aminés sont incolores. Les acides aminés absorbent dans l’UV entre 260 et 280 nm. Au-dessus de 260 nm la plus grande partie de l’absorption dans l’UV des protéines est liée à la teneur en tryptophane parfois en tyrosine et en phénylalanine. Ces acides aminés ont une telle absorption grâce à leur groupement aromatique du fait de leur système de doubles liaisons conjuguées [5].

Amidation

La fonction acide peut former un amide avec les amines (figure 04).
Ra–COOH + RbNH2 → Ra–CO–NHRb + H2O
L’asparagine et la glutamine sont deux exemples de dérivés physiologiques formés dans l’organisme suivant cette réaction. L’amidation peut être obtenue in vitro en utilisant des carbodiimides, le groupe carboxyle est dans un premier temps activé par la carbodiimides, puis le dérivé activé ainsi formé réagie avec l’amine [5, 6].

Décarboxylation

Elle peut être chimique ou enzymatique, par des décarboxylases aboutissant à la formation de CO2. Les décarboxylases sont spécifiques à chaque acide aminé. La décarboxylation est très importante en biochimie car elle aboutit à la formation des aminés biologiques, correspondantes très actives.
Ex : – l’histidine est décarboxylée en histamine entraînant une allergie.
– la 5-hydroxytriptophane est décarboxylé en sérotonine provoquant une hypertension (figure 05) [6]

Décarboxylation et désamination oxydative : réaction avec la ninhydrine

Cette oxydation attaque l’acide aminé en réalisant une décarboxylation associée à une désamination. Au cours de la réaction il y a production de CO2, de NH3 et d’un aldéhyde ayant un atome de carbone de moins que l’acide aminé dont il provient.
Les oxydants sont variés, on peut citer : le peroxyde d’hydrogène, l’hypochlorite etc. Pour quantifier cette réaction on peut doser le CO2 par alcalimétrie ou NH3 par colorimétrie. L’oxydant le plus utilisé est la ninhydrine.
Lorsqu’un acide aminé en solution est chauffé en présence de ninhydrine en excès, il conduit à un chromophore avec un maximum d’absorption à 570 nm (bleu-violet). L’intensité de la coloration est à la base d’une méthode quantitative pour doser les acides aminés. Cette coloration n’est pas spécifique aux acides aminés, elle se produit avec d’autres composés ayant des groupements amino acides libres : glucosamines, peptides et protéines. Cette méthode colorimétrique est une bonne technique pour le dosage d’un amino acide pur, elle est moins valable pour un dosage global car les acides aminés réagissent en donnant des colorations d’intensité variable. Les iminoacides donnent avec la ninhydrine une coloration jaune [5 et 6].
REMARQUE :
– Les acides aminés aromatiques forment une famille d’acides aminés ayant des propriétés physico-chimiques particulières. Ils sont les seuls capables d’absorber dans l’UV entre 250 et 280 nm. Dans les protéines on trouve trois acides aminés aromatiques : la phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane.
L’histidine bien qu’elle comporte un cycle aromatique (cycle imidazole) est exclue de cette famille. En effet, elle ne partage pas ses propriétés spécifiques car elle n’absorbe que faiblement à 280 nm réagit différemment dans la réaction xanthoprotéique et ne possède pas les mêmes précurseurs biologiques. Par convention cette famille regroupe donc uniquement les acides aminés à cycle benzénique [5].
– Les acides aminés essentiels ne peuvent pas être synthétisés par l’organisme et doivent être apportés par l’alimentation. Chez l’homme ils sont au nombre de huit : isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane, valine. Les autres sont produits in vivo par le métabolisme des cellules. La nature des acides aminés essentiels peut néanmoins varier selon les espèces [1, 4].

Métabolisme des acides aminés

Lorsque les protéines se décomposent dans l’intestin, les acides aminés sont libérés. Ainsi ils peuvent pénétrer la paroi intestinale, se mélanger par la suite à d’autres acides aminés provenant notamment des protéines corporelles dégradées, pour former le pool d’acides aminés. De ce dernier sont choisis les acides aminés dont l’organisme a besoins pour la synthèse des protéines qui lui manque. Une fois choisis, ils se lient dans le ribosome des cellules qui détermine l’ordre des différentes perles à partir de l’information détenue par l’ADN [3].
D’autres acides aminés du pool sont aussi utilisés pour produire des acides gras et du glucose. Le processus par lequel l’organisme produit du glucose à partir des acides aminés s’appelle la néoglucogenèse et celui pour la synthèse des acides gras s’appelle la lipogenèse. Il consiste tout d’abord en la suppression du groupement aminé grâce à une réaction impliquant de la pyridoxine ou vitamine B6. Le groupement aminé, qui est maintenant sous forme d’ammoniac (NH3) est tout de suite transformé en urée par le foie car cette substance est toxique. Le foie transforme ensuite la molécule acide (appelée chaîne carbonée) en glucose ou en acides gras qui sont les éléments de bases des lipides. Ceci est fonction de la nature de la chaîne carbonée qui peut être glycogénique c’est-à-dire transformable en glucose, ou cétogénique c’est-à-dire transformable en acides gras. Cette capacité est importante dans les cas d’une glycémie trop faible [1,3].

Rôle des acides aminés

Les acides aminés sont aussi bien les substrats de la synthèse protéique que des stimulants de la synthèse protéique in vitro et in vivo. Parmi l’ensemble des acides aminés, ceux à chaîne ramifiée (leucine, isoleucine, valine), et plus particulièrement la leucine, sont les plus impliqués dans la régulation de la synthèse protéique. En effet, l’injection d’un mélange contenant tous les acides aminés sauf ceux à chaîne ramifiée n’a aucun effet sur la synthèse protéique. En revanche, la leucine seule active in vivo la synthèse protéique et l’initiation de la traduction des protéines aussi efficacement qu’un repas complet.
Récemment, les acides aminés ont également été impliqués dans la régulation de l’expression génique et le contrôle de certaines fonctions physiologiques via l’activation de différentes voies de signalisation cellulaire. Il existe différents mécanismes permettant de répondre aux variations de l’apport alimentaire. Les cellules sont en effet capables d’estimer la disponibilité de certains nutriments et d’y répondre en déclenchant différents mécanismes cellulaires. Dans le cas particulier des acides aminés, deux voies essentielles de réponse aux variations de concentration en acides aminés sont connues. Il s’agit des voies impliquant respectivement les protéines kinases mTOR (mamalian taget of rapamycine) et GCN2 (General Control Non-repressible 2) ; ces deux voies étant capables de réguler la synthèse des protéines de façons opposées. Ainsi, lorsque les acides aminés sont en quantité suffisante, ceux-ci contrôlent positivement la phase d’initiation de la traduction des ARNm en activant la voie de signalisation TOR. Le deuxième mécanisme détecte spécifiquement les déficits en acides aminés, ce qui stimule la voie de réponse aux acides aminés AAR (amino acid response) par le biais de la protéine GCN2 [1].
NB : ce tableau ci-dessous (tableau 02) montre les structures des différents acides aminés du monde vivant, ainsi que leurs appellations.

LES PEPTIDES

Un peptide est un polymère d’acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Il existe une grande variété de peptides. Les peptides constitués d’un faible nombre d’acides aminés, de deux à quelques dizaines (inferieur à 15), sont nommés oligopeptides. Ils ne sont généralement pas issus de la traduction d’ARNm, mais d’une synthèse enzymatique. Ces oligopeptides peuvent aussi être classés selon le nombre d’acides aminés : ceux comportant deux acides aminés sont nommés dipeptides, et ceux comportant trois acides aminés sont nommés tripeptides etc. Généralement, lorsqu’ils sont plus longs, on parle simplement de peptides sans préciser le nombre d’acides aminés.
Les polymères comprenant un plus grand nombre d’acides aminés (inferieur à 50) sont nommés polypeptides. Ceux-ci sont généralement issus d’une traduction d’ARNm. Les peptides sont des composés très présents dans la nature et jouent des rôles très divers au sein des processus biologiques : hormones, neurotransmetteurs, inhibiteurs enzymatiques, etc. On comprend alors aisément l’intérêt que suscite ces composés tant au niveau chimique que pharmaceutique. Cependant l’utilisation des peptides naturels en tant qu’agents thérapeutiques est fortement limitée par leurs faibles pénétrations des membranes biologiques et une importante biodégradabilité par des protéases [9].

Structure des peptides

Structure primaire

La structure primaire est la séquence en AA. Par convention, elle se définit de l’extrémité azotée N-terminal à l’extrémité carboxyle C-terminale. Cette séquence est linéaire, les AA qui la composent peuvent ainsi interagir entre eux et former des structures secondaires plus complexes.

Structure secondaire

La structure secondaire peut se décrire sous deux formes : – l’hélice α, constituée d’une chaîne principale enroulée permettant des liaisons hydrogène entre les résidus d’AA. Le caractère amphiphile des peptides vient du fait que les résidus hydrophobes s’assemblent d’un côté et les résidus hydrophiles de l’autre côté. L’hélice α est très polarisée du fait que toutes les liaisons hydrogènes sont parallèles : N-terminal anionique et C-terminal cationique [10].
– le feuillet β est une structure où la chaîne de résidus est repliée sur elle-même de façon parallèle ou antiparallèle, et stabilisée par des liaisons hydrogènes maintenant la structure. En raison des polarités, les assemblages antiparallèles sont plus stables.
La structure en coude peut s’apparenter à une structure secondaire particulière. Il s’agit en fait d’un repliement particulier du squelette carboné. Le plus souvent, le coude relie des structures secondaires (hélices ou brins) [11]. La structure secondaire des peptides est considérée comme un point important dans la compréhension du mode de fonctionnement de ces derniers [12].

Structure tertiaire

La structure tertiaire correspond au repliement de la chaîne protéique. Ces repliements sont liés à l’existence de résidus encombrants ou chargés. Cette structure est stabilisée par :
– des liaisons hydrogènes entre les résidus d’acides aminés (exemple : serine – lysine) ;
– des liaisons ioniques, par exemple glycine lysine.
– des liaisons hydrophobes (ou Van der Waals) entre les résidus apolaires ;
– des ponts disulfures entre les résidus de cystéine.
La structure tridimensionnelle d’un peptide est intimement liée à sa fonction : si la structure est cassée (par l’emploi d’un agent dénaturant par exemple), le peptide perd sa fonction, il est dénaturé.
L’analyse de la structure globale des peptides se fait surtout grâce à des techniques de basse résolution comme dichroïsme circulaire ou Transformée de Fourier (FTIR) [12;13].
Certains peptides présentent des structures mixtes en hélice α et feuillet β, d’autres sont des peptides riches en certains acides aminés, comme la glycine, la proline, ou encore l’arginine, qui ne peuvent pas former d’hélice α [14]. Ce sont les peptides en hélice α et en feuillet β qui sont les plus nombreux dans les peptides naturels.

Propriétés physico-chimique

L’absorption d’un peptide dépend de sa composition en acides aminés. Ainsi en présence d’acides aminés aromatiques, l’absorption est à 260 à 280 nm. Au cas contraire elle est à 210 nm.
Il faut aussi noter que les peptides sont stable in vitro, mais pas in vivo à cause des protéases présentes dans l’organisme, leur durée de vie sera alors de quelques minutes. De même, leur solubilité est dépendante de leurs compositions en acides aminés mais aussi du pH du milieu dans lequel ils se trouvent : la solubilité est minimale au pHi du peptide.
Le pH isoélectrique dépend des chaînes latérales des différents acides aminés et non de leur groupement CO2H ou NH2 car ceux-ci sont pris dans les liaisons peptidiques.

Synthèses des peptides

Les peptides sont des biomolécules formées d’acides aminés qui, dans la nature, jouent plusieurs rôles physiologiques importants. Ceci fait en sorte que les peptides ont des applications variées et très en demande, en particulier dans les industries pharmaceutiques et agroalimentaires. Par exemple, de nombreux composés pharmaceutiques, tels que les inhibiteurs d’enzymes, les hormones, les antibiotiques, les antiviraux et les neurotransmetteurs, sont des peptides qui ont des structures dérivées de peptides biologiquement actifs. De plus, certains dérivés peptidiques non naturels, comme l’aspartame constitué d’acide aspartique et phénylalanine, et autres succédanés de sucre hypocaloriques, figurent parmi les produits de synthèse industrielle de premier plan. Pour ces raisons, l’importance de la synthèse des peptides est en pleine croissance en recherche fondamentale tout comme dans l’industrie [16 ; 15].

Synthèse chimique des peptides

La synthèse chimique des peptides est la principale méthode de production de peptides à l’échelle industrielle. Pour synthétiser un peptide, il faut procéder au couplage du groupement carboxyle (C-terminal) d’un acide aminé et du groupement amino (N-terminal) d’un deuxième acide aminé. Lorsqu’on met en présence deux acides aminés avec un agent de couplage, il peut se former quatre composés. En effet si on prend par exemple la lysine et leucine on peut obtenir Lys-Leu, Leu-Lys, Leu-Leu, Lys-Lys. Ceci est possible car chaque fonction acide carboxylique de chaque acide aminé peut réagir avec chaque fonction amine des acides aminés mis en présence, sans discernement. Ainsi la réalisation d’une liaison peptidique entre deux acides aminés différents requière certaines précautions qui sont, entre autres, la protection des groupements fonctionnels susceptibles d’interférer.
Cette réaction de couplage nécessite l’activation du groupement carboxyle, activation qui se fait avec des agents de couplage tels que les carbodiimides et les oximes aromatiques. Les carbodiimides, comme le dicyclohexylcarbodiimide (DCC), ont été les premiers agents de couplage peptidique développés. Ils activent les fonctions carboxyles des acides aminés en permettant la formation d’urées O-acylées hautement réactives.
Le désavantage des carbodiimides est qu’ils sont trop réactifs ce qui cause la racémisation des peptides ou protéines formées. Pour pallier ce problème, l’utilisation des oximes aromatiques tels le 1-hydroxybenzotriazole (HOBt) et le 1-hydroxy-7-azabenzotriazole (HOAt) ont été développés. Ces composés réagissent avec les urées O-acylées synthétisées par les carbodiimides et forment des esters activés moins réactifs, ce qui diminue la possibilité de racémisation.
HOBt présente l’inconvénient d’être explosif s’il ne contient pas un minimum de 11,7% d’eau d’où son utilisation contrôlée.
De nouvelles méthodes d’activation ne requérant plus l’utilisation des carbodiimides ont aussi été développées. L’ester activé est introduit en tant que sel d’uronium ou de phosphonium d’un anion non nucléophile tel le tétrafluoroborate ou l’hexafluorophosphate. Des agents de couplages de ce genre sont le HBTU (2-(1H-benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate) et le PyBOP (benzotriazolyloxy-tris[pyrrolidino]-phosphonium hexafluorophosphate).
En plus de l’activation de la fonction carboxyle lors de la synthèse des peptides, il faut procéder à la protection chimique de divers groupes fonctionnels que l’on veut conserver intacts (-OH, -SH, -COOH, -NH2, etc.) et qui se retrouvent sur les chaînes latérales des acides aminés. En effet, comme nous l’avions signalé plus haut, la séquence du peptide doit être respectée, ce qui implique la protection de l’amine et de l’acide carboxylique ne devant pas réagir. De plus certains acides aminés étant fonctionnalisés peuvent contenir des groupements qui pourraient interférer dans la synthèse et mener à des produits non désirés. Plusieurs groupements protecteurs ont été développés à cette fin, comme le groupement Fmoc (9-fluorénylméthylcarbamate), le groupement Boc (tert-butoxycarbonyle) et le groupement Cbz (carbobenzyloxy) qui permettent de protéger les amines et de réaliser des clivages sélectifs et relativement faciles à la fin de la synthèse. L’utilisation des groupements protecteurs entraîne des étapes supplémentaires lors de la synthèse à savoir des étapes de protection de déprotection mais également des étapes de purification à chaque fois. Tous ceci génère plus de déchets et entraîne l’utilisation de solvants et de réactifs supplémentaires, engendrant des coûts additionnels. De plus il faut une méthode d’élimination et de gestion sécuritaire des solvants usés [16].
À la suite du couplage chimique, le cycle de protection, d’activation, de réaction et de déprotection est répété pour allonger le peptide.
Les rendements imparfaits obtenus à chaque étape donnent vite lieu à une gamme de sous-produits indésirables. Notamment, des sous-réactions de l’acide aminé activé avec l’eau, avec les groupes fonctionnels des chaînes latérales d’autres acides aminés ou encore avec des bases diminuent l’efficacité et/ou la pureté énantiomérique du produit final. En dernier lieu, il existe le problème d’isolation et de purification du produit après chaque étape afin d’éliminer les excès de réactifs, les groupements protecteurs clivés et les autres sous-produits. Tous ces éléments expliquent les limites de la synthèse organique des peptides en solution Ce problème est partiellement résolu par la synthèse sur support solide, qui facilite les étapes d’isolation et de purification [15].
La synthèse sur support solide est la méthode de choix pour la synthèse chimique des peptides. Toutefois, cette méthode génère aussi beaucoup de déchets, car, pour qu’elle donne de bons rendements, il faut utiliser un excès de substrats et laver plusieurs fois la résine avec des solvants pour purifier les produits obtenus à chaque étape.
Lors de synthèse sur support solide l’utilisation des groupements protecteurs et des agents de couplage est maintenue. La synthèse chimique des peptides est donc un procédé polluant qui ne respecte pas les douze principes de la chimie verte parmi lesquels : Limiter les déchets, utiliser des produits de départ renouvelables, éviter autant que possible des dérivés chimiques tels les groupements protecteurs, concevoir des synthèses chimiques moins dangereuses etc. Une alternative à la synthèse chimique des peptides plus respectueuse de l’environnement est le génie génétique que l’on peut diviser en deux parties : la biosynthèse et la synthèse enzymatique [16].

Biosynthèse des peptides

La biosynthèse est la synthèse de produits chimiques ayant lieu à l’intérieur d’organismes vivants tels les microorganismes et les animaux transgéniques. Quoiqu’utile, la biosynthèse des peptides ne permet pas la synthèse de peptides à partir d’acides aminés non naturels. De plus, la production microbienne de petits peptides est limitée par la présence de peptidases qui détruisent une partie des peptides produits, ce qui diminue les rendements. Il peut aussi être difficile d’obtenir un produit de pureté satisfaisante à un coût raisonnable avec cette méthode. Enfin, l’utilisation d’organismes transgéniques peut présenter des problèmes éthiques, en plus de compliquer l’application à grande échelle de cette méthode. Une alternative plus prometteuse est la synthèse in vitro à l’aide d’enzymes [15 ; 16].

Syntheses enzymatique

La synthèse enzymatique des peptides réduit largement les besoins d’activation et de protection chimique des acides aminés et assure la pureté énantiomérique des produits en exploitant la très haute sélectivité des enzymes. Les deux principales approches de cette méthode sont l’utilisation de peptidyltransférases et la mise en œuvre de protéases. La première approche implique l’utilisation in vitro de composantes isolées de la machinerie cellulaire : ribosomes, ARN messager et de nombreux ARN de transfert et autres facteurs cellulaires, ainsi que des substrats coûteux comme l’ATP. Cette méthode est très dispendieuse et demeure difficile d’application à grande échelle.
L’utilisation de protéases pour la synthèse des peptides est la méthode biocatalytique la plus répandue, étant déjà utilisée pour la synthèse à l’échelle industrielle de l’aspartame et de l’insuline humaine.

Utilisation thérapeutique des peptides

Les peptides offrent plusieurs avantages par rapport aux molécules de faible poids moléculaire, généralement inférieur à 500 g/mol, qui constituent la plupart des médicaments traditionnels [7]. En effet, ils peuvent être parfois plus efficaces, plus spécifiques que les petites molécules synthétiques. Ensuite, leur dégradation rapide dans l’organisme par les peptidases (intestinales, rénales, hépatiques et sériques) génère des acides aminés, ce qui les rend en général faiblement toxiques. Un inconvénient majeur est leur temps de demi-vie dans le corps humain qui peut être relativement court, de quelques minutes à plusieurs heures. A l’inverse, ce temps de demi-vie court permet de limiter leur accumulation dans l’organisme et leurs effets secondaires [8]. Parmi les peptides médicaments actuellement sur le marché, on peut citer, entre autres, l’insuline (Actrapid®).
Les peptides trouvent aussi de nombreuses débouchées dans le domaine biotechnologique, parmi lesquels des applications pharmaceutiques, production d’anticorps à l’usage des laboratoires de biologie, etc. La progression du nombre de nouvelles petites molécules ou substances médicamenteuses s’essouffle. Dans ce contexte, de grosses sociétés pharmaceutiques investissent dans la recherche peptidique pour ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques. Même s’ils sont utilisés comme agents thérapeutiques depuis près d’un siècle sous leur forme naturelle, l’utilisation des peptides reste parcimonieuse bien qu’elle ait connu un développement significatif depuis quelques dizaines d’années, notamment grâce à la mise au point de méthodes de production, chimiques en phase solide ou biologiques [17].

Les protéines

Une protéine est une macromolécule biologique composée d’une ou plusieurs chaînes polypeptidiques d’acides aminés liées entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de protéine lorsque la chaîne contient un nombre d’acides aminés supérieur à 50.
Les protéines naturelles sont assemblées à partir des acides aminés en fonction de l’information présente dans les gènes. Leur synthèse se fait en deux étapes :
-La transcription où la séquence d’ADN codant le gène associé à la protéine est transcrite en ARN messager
-La traduction où l’ARN messager est traduit en protéine, au niveau du ribosome, en fonction du code génétique.
L’assemblage d’une protéine se fait donc acide aminé par acide aminé de son extrémité N-terminale à son extrémité C-terminale. Après sa synthèse par le ribosome, la protéine peut subir des modifications post-transcriptionnelles, clivages, maturations. Enfin, chez certains organismes des processus d’épissage alternatif de l’ARN messager peuvent faire que plusieurs formes différentes d’une protéine peuvent être produites à partir d’un même gène. La structure des protéines est complexe et influe sur le rôle qu’elles jouent dans la vie de la cellule.
Les protéines sont des éléments essentiels de la vie de la cellule : elles peuvent jouer un rôle structurel (comme l’actine), un rôle dans la mobilité (comme la myosine), un rôle catalytique (les enzymes), un rôle de régulation de la compaction de l’ADN (les histones) ou d’expression des gènes (les facteurs de transcription), etc. En somme, l’immense majorité des fonctions cellulaires sont assurées par des protéines [18].

LES CYCLOPEPTIDES AYANT DEUX A NEUF ACIDES AMINES

Lescyclodipeptides ou 2-5-dicétopipérazines

C’est un groupe de composés très importants, avec deux acides aminés comportant deux liaisons amides. Etant les plus simples cyclopeptides, les cyclodipeptides ont une structure quasiment plane.
Ils sont produits principalement par des levures, des champignons filamenteux et quelques bactéries comme les streptomyces d’autres ont été isolés à partir d’organismes marins comme les éponges [20].
Les cyclodipeptides présentent une grande diversité d’activités biologiques telles que : enzymatique, antimicrobienne, antisupressive, antitumorale, antibactérienne, antifongique, antivirale et antiprotozoaire.
Il convient cependant de noter que le premier dipeptide cyclique à avoir été mis en évidence est le cyclo (L-Arg, D-Pro) également nommé CI-4 (figure 10). Il est issu de la bactérie marine Pseudomonas sp. IZ208. Bien qu’il présente une affinité modérée pour les chitinases (enzymes principalement impliquées dans la dégradation de la chitine, lors des processus de croissance chez les insectes), le CI-4 possède une activité biologique intéressante puisqu’il induit in vivo l’inhibition de la séparation des cellules filles de la levure Saccharomyces cerevisiae. De plus, la croissance et l’élongation des hyphes du champignon filamentaire Candida albicans sont perturbées en présence de CI-4.
Des études cristallographiques ont montré que le résidu Arg n’est pas essentiel pour la liaison au site actif des chitinases. C’est pourquoi d’autres dipeptides cycliques ont été étudiés parmi lesquels le cyclo (L-Arg, L-Pro), le cyclo (L-Gly, L-Pro), le cyclo (L-Tyr, L-Pro) et le cyclo (L-His, D-Pro) (figure 11). Parmi les quatre inhibiteurs supposés, ce dernier est celui qui possède la plus forte affinité pour la chitinase bactérienne ChiB de Serratia marcescens, l’histidine établissant de nombreux contacts avec le site actif. Ce composé inhibe également la séparation des cellules de S. cerevisiae, mais est un moins bon inhibiteur que le CI-4 [23].
Sur le plan antifongique, on peut citer le cas de la gliotoxine. Ce dernier, malgré sa toxicité qui retient son utilisation thérapeutique, est doué de propriétés antivirale, antibactérienne et immunomodulatrice. Elle est plus impliquée dans les effets pathologiques de l’aspergillose [20].
Pour les activités antiprotozoaires, on prend l’exemple de la dimethylhyalodendrine tetrasulfite qui est aussi un dipeptide cyclique utilisé contre le Plasmodium falciparum, agent de la malaria.
Des études hématologiques et anticancéreuses ont permis de déduire que les dicétopipérazines (DKP) à histidine (cyclo (L-His, Ala) et cyclo (L-His, Gly)) constituent une nouvelle génération potentielle d’agents cytotoxiques avec des effets antithrombotiques. Egalement, il a été rapporté que les trois DKP : le cyclo (L-His, L-Pro), le cyclo (L-Phe, L-Pro) et le cyclo (L-Pro, L-Tyr) agissent sur le système nerveux central où ils modulent un nombre remarquable de comportements humains. Ceci en fait n’est pas surprenant si on considère la similarité structurale entre ces trois DKP et les peptides signaux endogènes chez l’être humain à savoir la « thyrotropin-releasing hormon TRH ».
Récemment, une nouvelle activité pharmaceutique des dipeptides cycliques a été découverte en tant qu’agent anti-mutagénique contre les deux souches Salmonella typhimurium TA98 et TA100. Cette importante propriété évitera la formation de mutants naturels à haute virulence à partir de ces deux espèces de Salmonella typhimurium [21].
L’alternarosine A est un DKP alcaloïde isolé à partir d’une souche fongique halotolérante Alternaria raphani THW-18 et possède une faible activité antibactérienne contre Escherichia coli, Bacillus subtilis et Candida albicans. En plus de l’activité antibactérienne, les cyclodipeptides cis cyclo (L-Phe, L-Pro) et cis cyclo (L-Leu, L-Pro), purifiés et caractérisés chimiquement à partir de la souche de Streptomyces TN97, possèdent une activité antifongique [19].
Outre leur intérêt thérapeutique, les DKP connaissent de plus en plus d’applications dans le domaine agronomique. Le champignon Pyricularia oryzae est par exemple un des agents qui cause l’amincissement du riz, et possède un pouvoir destructif très sévère. Cette pathogène fongique attaque directement la plante de riz à partir de l’extrémité du tube de germination, comme il peut aussi attaquer les autres parties de la plante et il y persiste plusieurs années [25 et 26]. Des efforts sont de plus en plus fournis pour remédier à cette situation par l’utilisation d’antifongiques de différentes sources dont on peut citer, ceux obtenus par voie naturelle à savoir un DKP nouvellement isolé à partir du champignon du milieu marin Porphyra yezoensis [26] .

Les cyclotripeptides

Onze tripeptides cycliques, Sclerotiotide A-k, ont été isolés à partir de l’extrait d’acétate d’éthyle du bouillon fermenté de la halotolérante Aspergillus sclerotiorium PTO6-1 dans un milieu riche en nutriments hypersalins. Cependant seuls les Sclerotiotides A, B, F et I ont montré une activité antifongique sélective contre Candida albicans avec des CI50 respectives de 7,5 ; 3,8 ; 30 ; et 6.7 µg/ml [19].
Très peu de cyclotripeptides sont naturels. Ainsi la frangulamine (figure 12) et l’euripamide sont des cyclopeptides alcaloïdes, produits respectivement par Zizyphus lotus de la famille des rhamnacées et Microciona eurypa qui est une éponge d’origine marine

Les cyclotétrapeptides

Retrouvés pour la plus part d’entre eux au niveau des bactéries, mais aussi dans les champignons ou les organismes marins, les cyclotétrapeptides possèdent plusieurs activités biologiques intéressantes telles que antifongique, antitumorale etc.
Ces molécules sont souvent décrites comme des produits naturels et ont pour caractéristiques structurales d’être formés :
– Soit de trois amino acides L et d’un amino acide D pour les cyclopeptides cancérostatiques du groupe de la chlamydocine de Diheterospora chlamidiospora.
– Soit de trois amino acides L et d’un déhydro-amino acide et dans ce cas on peut citer la tentoxine, une phytotoxines fongiques produite par Alternaria tenuis, champignon phytopathogène responsable de chlorose chez les plantes.
– soit de deux amino acides L et deux amino acides D comme la HC-toxine phytotoxine hôte spécifique, produite par le champignon Helminthosporium
carbonum pathogène du maïs. Outre son activité cytotoxique, ce composé est antimitotique vis-à-vis des lymphocytes souris avec une CI50 de 10 ng/ml.
– soit enfin de quatre L-amino acides dans le cas des peptides cyclo(Pro-Leu-Pro-Leu-), cyclo(Pro-Val-Pro-Val-) et cyclo (Pro-Phe-Pro-Phe-) cancérostatiques, produits par le Tunicier Cystodytes ou dans le cas de cyclo(Pro-Val-Pro-Tyr-) inhibiteur de tyrosinase (phénol oxydase) produit par la bactérie lactique Lactobacillus helveticus [20].
Dans ce groupe on peut citer entre autres les halolitoralins B et C (figure 13), isolé d’organismes marins comme Halobacillus litoralis YS3106, connus pour leurs propriétés antifongiques et anti tumorales modérées [28].
Hololitoralin B halolitoralin C
La rhodopeptine isolée à partir d’une bactérie du genre Rhodococcus, est un cyclotétrapeptides ayant une activité antifongique [30].
L’apicidine est aussi un cyclotetrapeptide, isolé à partir d’une souche de streptomyces et possède une activité antitumorale [29].
Chez le champignon Verticililum coccosporum, un cyclotétrapeptide phytotoxique contenant un acide aminé rare, acide 2-amino-8-oxo-9-hydroxydénoique, a été isolé. Structuralement, ce peptide est étroitement lié à un peptide connu, la chlamidocine [31].

Les cyclopentapeptides

Les cyclopentapeptides ont été isolés de plantes, de bactéries comme les cyanobactéries ou les champignons, d’autres sont des molécules d’origine synthétiques. Ils sont connus pour leurs propriétés anti tumorale antifongique et anti-inflammatoire, mais parfois cytotoxique.
Une activité anti-inflammatoire modérée est décrite chez la viscumamide ou cyclo (Leu-Ile-Leu-Ile-Leu), extrait de la plante Viscum album. Cette molécule présente aussi une faible activité antihelminthique [32].
La nodularine, pentapeptide cyclique est un hépatotoxique retrouvé rarement dans l’environnement et produit par les cyanobactéries. Elle peut s’accumuler dans les produits de la mer comme les poissons, les moules et les palourdes. Elle peut ensuite être transférée le long de la chaîne alimentaire. Une fois ingérée, la nodularine est transportée à travers le tractus gastro-intestinal et concentrée dans les cellules hépatiques par un mécanisme de transport de l’acide biliaire. Une fois à l’intérieur des hépatocytes, elle se lie à des enzymes clés de la division cellulaire appelées protéines phosphatases (1 et 2A) et inhibent leur activité. Ceci entraîne une hyperphosphorylation des protéines cellulaires qui conduira à une destruction progressive de la structure des hépatocytes et du parenchyme hépatique. L’excrétion se ferait surtout par les fèces avec les acides biliaires qui se déversent dans le duodénum. Il faut noter qu’aucune étude pharmacocinétique n’a été réalisée en utilisant une administration par voie orale.
Des préoccupations existent à propos du potentiel cancérigène de la nodularine puisque son mécanisme d’action, soit l’inhibition des protéines phosphatases, est un mécanisme général de promotion tumorale de divers organes [33].
Les cyclopentapeptides sont également utilisés dans le traitement du cancer et plus particulièrement dans le traitement de différentes formes (ou stades) du mélanome, ainsi que dans la fabrication d’un médicament pour traiter le cancer. Le cyclopeptide est particulièrement adapté à l’administration d’une composition le contenant par voie orale.
Le mélanome est le deuxième cancer chez l’homme en termes de nombre d’année de vies perdues. Cependant de 1997 à 2007, son incidence a augmenté de façon plus importante (3 à 5% par an) que les autres types de cancers, à l’exception du cancer bronchique chez la femme. En l’an 2000, il était estimé qu’un individu sur 100 développerait un mélanome dans le courant de sa vie et qu’un patient sur deux aurait moins de 50 ans. Ce type de cancer devient inéluctablement un problème majeur de santé publique. Le mélanome est une tumeur maligne de très mauvais pronostic avec un risque élevé de métastase ganglionnaire et viscérale. Ainsi, dans ce cas on peut citer l’utilisation particulière d’un cyclopentapeptide synthétique de séquence YSNSG (figure 14), obtenu par cyclisation du peptide YSNSG linéaire par formation d’une liaison peptidique entre la fonction acide carboxylique CO2H de la glycine (G) et la fonction amine NH2 libre du résidu N-terminal de la tyrosine (Y).
Afin de modifier, accroître ou réduire sa stabilité ou sa biodisponibilité, le cyclopeptide peut être modifié avant ou après l’étape de cyclisation. Ainsi l’un quelconque des acides aminés du cyclopeptide peut subir une modification chimique telle que l’acétylation, l’alkylation, l’amidation, la carboxylation, l’ hydroxylation, la méthylation, ou peut faire l’objet d’addition de lipides (palmitoylation, glypitation, etc.) ou de glucide (glucosylation).
Ce cyclopentapeptide, à des concentrations de 5 ; 10 et 20 µM inhibe la prolifération des cellules de mélanomes UACC-903 de 27 ; 29 et 40% respectivement. Le cyclopeptide est quasiment aussi actif que le peptide naturel aux mêmes concentrations. Il induit également une importante diminution (-47%) de la migration des cellules UACC-903, une diminution dose dépendante de la sécrétion de u-PA (urokinase plasminogen activator) et t-PA (tissular plasminogen activator) qui sont les deux principaux activateurs du plasminogénes [34].
Sur le plan antifongique, on prend les exemples de l’argifine et de l’argadine :
– L’argifine (Figure 15) est le premier inhibiteur d’origine fongique à avoir été isolé. Issu de la souche FTD-0668 de Gliocladium sp., c’est un cyclopentapeptide constituée d’arginine, de N-méthyphénylalanine, de deux acides aspartiques ou deux asparagines, d’alanine et de résidus N-méthylcarbamoyl. Bien que présentant de faibles propriétés inhibitrices contre les chitinases de la famille 18, l’argifine inhibe la croissance des larves de la blatte américaine Periplaneta americana. Récemment synthétisé, ce cyclopentapeptide inhibe la chitinase B1 d’Aspergillus fumigatus et des chitinases humaines [35].
– L’argadine (Figure 16), un autre cyclopentapeptide inhibiteur de chitinases isolé à partir de la souche FO-7314 du champignon du sol Clonostachys sp., est composé d’arginine, de proline, d’homosérine, d’histidine et d’acide 2-aminoadipique. Des résidus acétyle interviennent également dans la structure de cet inhibiteur.
Si l’argadine ne possède pas d’effet inhibiteur sur de nombreux microorganismes, son activité inhibitrice est rapportée sur une chitinase du diptère Lucilia cuprina. De même, l’injection de cet inhibiteur dans des larves de blattes américaines induit une mortalité pouvant atteindre 60% [36]. Comme l’argifine, l’argadine exerce une activité inhibitrice sur les chitinases humaines et d’A. fumigatus [35].

Les cyclohexapeptides

Les cyclohexapeptides ont été caractérisées chez les microorganismes notamment les champignons, les éponges d’origine marine et les plantes supérieures.
Ce sont des molécules douées de propriétés antifongiques et cytotoxiques. A cet effet on peut citer l’exemple de la phomopsine A, une mycotoxine hexapeptidique produite par le champignon Phomopsis leptostromiformis parasite des lupins et responsable de mycotoxicoses chez les troupeaux en Australie et Afrique du Sud [37].
La halitoralin A (figure 17), isolée à partir d’organismes marins tel que Halobacillus litoralis YS3106, est un cyclohexapeptide réputé pour ses propriétés antifongiques, mais aussi antitumorales modérées [28].

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I. LES ACIDES AMINES
1. Structures générales des acides amines
a. Composition chimique
b. Stéréochimie
2. Nomenclature et nature des acides aminés
c. Nomenclature des acides aminés
d. Nature des acides aminés
3. Propriétés chimiques des acides aminés
e. Solubilit
f. Absorption
g. Amidation
h. Décarboxylation
i. Réaction avec les aldéhydes
j. Décarboxylation et désamination oxydative : réaction avec la ninhydrine
4. Métabolisme des acides aminés
5. Rôle des acides aminés
II. LES PEPTIDES
1. Structure des peptides
a. Structure primaire
b. Structure secondaire
c. Structure tertiaire
2. Propriétés physico-chimique
3. Synthèses des peptides
a. Synthèse chimique des peptides
b. Biosynthèse des peptides
c. Syntheses enzymatique
4. Utilisation thérapeutique des peptides
5. Les protéines
6. Conclusion
DEUXIEME PARTIE : ORIGINES ET PROPRIETES BIOLOGIQUES DES CYCLOPEPTIDES
I. LES CYCLOPEPTIDES AYANT DEUX A NEUF ACIDES AMINES
1. Lescyclodipeptides ou 2-5-dicétopipérazines
2. Les cyclotripeptides
3. Les cyclotétrapeptides
4. Les cyclopentapeptides
5. Les cyclohexapeptides
6. Les cycloheptapeptides
7. Les cyclooctapeptides
8. Les cyclononapeptides
II. LES CYCLODECAPEPTIDES ET HOMOLOGUES SUPERIEURS
1. Les cyclodécapeptides
2. Les cyclopeptides ayant plus de dix résidus
TROISIEME PARTIE : SYNTHESE DES CYCLOPEPTIDES
I. SYNTHESE PEPTIDIQUE
1. Choix de l’agent de couplage pour le couplage peptidique
2. Choix de la stratégie
II. LA SYNTHESE SUR SUPPORT SOLIDE
1. Fonctionnalisation de la résine
2. Couplage peptidique
3. Tests de suivi de réaction
a. Test UV permettant de suivre la déprotection de la fonction amine
b. Suivi de réaction de couplage par test de Kaiser
4. Les groupements protecteurs
5. Cyclisation
6. Clivage de la résine
III. EXEMPLE DE SYNTHESE EN SOLUTION D’UN CYCLOPEPTIDE
1. Preparation du groupement thiazole
2. Synthèse du raocyclamide A
IV. EXEMPLE DE SYNTHESE D’UN CYCLOPEPTIDE SUR SOPPORT SOLIDE
Conclusion
REFERENCES

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