Stéréochimie des molécules biologiques

Stéréochimie et molécules du vivant

niveau TermS

prérequis : chiralité, représentation de Cram, carbone asymétrique, énantiomérie, mélange racémique, diastéréoisomérie, conformation, représentation topologique.

biblio : Chimie TermS programme 2012, édition Belin

Objectif : Exploiter les informations sur les propriétés biologiques de stéréoisomères et sur les conformations de molécules biologiques. Mettre en évidence l’importance de la stéréoisomérie dans la nature.

Introduction

La plupart des processus du vivant mettent en jeu des phénomènes chiraux.

En effet, de nombreuses fonctions de l’organisme (perception des odeurs et du goût, action thérapeutique d’un médicament) se font par fixation des molécules sur un récepteur. Cette fixation se fait pas l’établissement de liaisons de faibles énergie (interactions électrostatiques, de Van Der Waals et liaisons hydrogènes). Il faut donc que la géométrie de la molécule soit complémentaire avec celle du récepteur.

Comme les stéréoisomères diffèrent par la disposition de leur atomes, ils ne vont pas interagir de la même manière avec un récepteur biologique.

C’est comme si on essayait d’insérer la main gauche dans un gant droit.

Dans cette leçon on va détailler quelques exemples, en commençant par étudier des couples d’énantiomères du limonène et  du thalidomide. Puis on verra un exemple de diastéréoisomères avec le rétinal. Et on finira par intéresser au conformation des enzymes avec l’amylase.

Rappels de cours :

Des stéréoisomères sont des molécules qui ont la même formule semi-développée mais des arrangements d’atomes différents dans l’espace.

Si le passage d’un stéréoisomère à un autre nécessite la rupture d’une liaison covalente, on parle de stéréoisomères de configuration.

Un objet chiral n’est pas superposable à son image dans un miroir plan.

Deux énantiomères sont images l’un de l’autre dans un miroir plan, mais non superposables même après rotation autour de liaisons simples.

Deux énantiomères ont des propriétés physique (à l’exception du pouvoir rotatoire) et chimiques identiques tant que le réactif ou le phénomène mis en jeu est non chiral.

On va voir en revanche que deux énantiomères n’ont pas les mêmes propriétés biologigues.

Un odeur d’orange ou de menthe ?

Les récepteurs olfactifs du nez sont constitués de molécules chirales. Ils sont capables de distinguer deux énantiomères lors du processus de fixation d’une molécule odorante. Ainsi le message nerveux transmis au cerveau est différent pour les deux énantiomères, et l’odeur perçue est alors différente.

Le limonène ( 1-méthyl-4-(prop-1-èn-2-yl)cyclohex-1-ène ) est le constituant majoritaire des huiles extraites des peaux d’agrumes. Cette molécule chirale existe sous deux formes énantiomères : le R-(+)-limonène et le S-(-)-limonène.

Voir modélisation sur ChemSketch. Partir de la molécule sans descripteur stéréochimique. Chercher le carbone asymétrique, et faire la description de la liaison dans un cas possibles.  Dessiner l’image de la molécule, la retourner et constater qu’elle n’est pas superposable à l’autre. Générer avec le logiciel les descripteur R /S.

Le R-(+)-limonène est responsable de l’odeur caractéristique de l’orange, tandis que le  S-(-)-limonène est responsable de l’odeur de menthe.

Illustration expérimentale des différentes odeurs de deux énantiomères :

On dispose de R-limonène et de S-limonène. Donc on peut sentir chaque molécule et constater les odeur différentes.

Le R-limonène peut être extrait expérimentalement de la peau d’orange avec une hydrodistillation. Attention il faut plusieurs orange pour récupérer un distillat de quelques mL. Après extraction (décantation et évaporation), l’huile essentielle récupérée peut être caractérisé par CCM en la comparant avec du limonène.

Pour déterminer si on est en présence de l’énantiomère R ou S, il faut utiliser un polarimètre.

La lumière naturelle peut être décrite par une onde qui vibre dans toutes les directions perpendiculaires à sa direction de propagation. Lorsqu’elle traverse un polariseur, elle ne vibre plus que dans une seule direction, et est appelée lumière polarisée. Si cette lumière polarisée traverse une cuve contenant un énantiomère, la direction de polarisation est déviée d’un angle α qui est proportionnel à la concentration C de l’énantiomère et à la longueur l de la solution traversée. Le coefficient de proportionnalité est noté [α] et est appelé pouvoir rotatoire spécifique. Ceci est résumé par la loi de Biot : .[pic 1]

Quand une solution contient plusieurs molécules chirales, leurs pouvoirs rotatoires s’additionnent. D’autre part, les deux formes énantiomères d’une molécule chirale ont des pouvoirs rotatoires opposés.

On peut mesurer le pouvoir rotatoire de l‘huile extraite ([α]=106 SI pour le R-(+)-limonène).

Le scandale de le thalidomide

Le thalidomide, médicament utilisé dans les années 1950, a été responsable d’une véritable tragédie médicale. Employé comme médicament de confort pour traiter les nausées matinales des femmes enceintes, il a été à l’origine de la naissance de 10 000 à 20 000 nourrissons atteints de graves malformations.

Le thalidomide possède un atome de carbone asymétrique, et existe donc sous forme de deux énantiomères R et S n’ayant pas les mêmes effets. L’une protège contre les nausées, l’autre ayant des effets tératogènes (pouvant provoquer un développement anormal de l'embryon et conduisant par là même à des malformations).

Il peut donc être nécessaire de séparer deux énantiomères d’un mélange. Mais comment séparer deux énantiomères puisqu’ils ont les mêmes propriétés physique et chimique ?

Rappels de cours :

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