Conception de métalloenzymes artificielles provenant de la mutation fonctionelle de la papaine : application à la synthèse asymétrique en milieu aqueux

Design of artificial metalloenzymes by functional mutation of Papain : application to asymmetric transfer hydrogenation in aqueous media

• Auteur / Autrice : Nathalie Madern
• Direction : Michèle Salmain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique. Biochimie
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métalloenzymes

Papaïne

Hydrogénation

Résumé

Nous avons conçu et préparé des métalloenzymes artificielles pour l’hydrogénation asymétrique de cétones par ancrage covalent de complexes [Cp*Rh(diimine)Cl]Cl (Cp* = pentaméthylcyclopentadiényle) à l’endoprotéinase à cystéine papaine. La papaine a été choisie comme protéine hôte car son site actif se présente sous la forme d’une large poche de 25 Å de long sur 15 de large et comprend une cystéine (Cys 25) porteuse d’un thiol fortement nucléophile. Des études préliminaires sur le complexe modèle [Cp*Rh(dpa)Cl]Cl (dpa = 2,2’-dipyridylamine) ont permis de mettre au moins les conditions expérimentales optimales de catalyse sur des substrats dérivés de l’acétophénone. Les complexes [Cp*Rh(diimine)Cl]Cl porteurs d'une fonction ciblant le thiol de la Cys25 sur le ligand diimine ont été synthétisés puis assemblés à la papaïne. La capacité des espèces hybrides à catalyser l'hydrogénation par transfert de la trifluoroacétophénone a été étudiée en présence de formate. Dans des conditions optimales de pH et de charge catalytique, une conversion totale a été atteinte. Une induction asymétrique en faveur de l’énantiomère R ou S selon la métalloprotéine employée a été observée avec des excès énantiomériques atteignant 20%. Pour compléter les études expérimentales, des calculs de modélisation moléculaire QM / QM' nous ont permis de mettre en évidence des interactions favorables entre l’entité métallique et la protéine hôte, fournissant des informations structurales importantes à la compréhension de la réactivité et la sélectivité des métalloenzymes artificielles.

We designed and prepared artificial metalloenzymes for asymmetric transfer hydrogenation of ketones by covalent anchoring of [Cp*Rh(diimine)Cl]Cl complexes (Cp* = pentamethylcyclopentadienyl) to the cysteine endoproteinase papain. Papain was chosen as protein host because its active site consists in a large pocket of 25 Å long by 15 Å wide including a cysteine (Cys25) carrying a highly nucleophilic thiol function. Preliminary catalytic studies with the model complex [Cp*Rh(dpa)Cl]Cl (dpa = 2,2’-dipyridylamine) enabled to delineate the optimal experimental conditions for the transfer hydrogenation of acetophenone derivatives. Cp*Rh(diimine)Cl]Cl complexes carrying a functional group targeting Cys25 on the diimine ligand were synthesized and assembled to papain. The ability of the hybrid species to catalyze the transfer hydrogenation of trifluoroacetophenone was studied in the presence of formate. Under optimal conditions of pH and catalyst load, quantitative conversion was reached. Asymmetric induction in favor the R or S enantiomer depending on the metalloenzyme was observed with enantiomeric excess reaching 20%. To complete the experimental studies, molecular modeling calculations (QM/QM') enabled to bring out favorable interactions between metal cofactors and protein host, providing important structural information for understanding reactivity and selectivity profiles of the artificial metalloenzymes.