Brevet FR2644296A1 — publié le 19900914

La présente invention concerne des ensembles destinés plus particulièrement à permettre le transfert de cations, notamment sous l'influence d'un champ électrique. il s'agit plus particulièrement de polypeptides ou de protéines présentant une structure hélicoîdale. La présente invention repose sur des analyses structurales de certaines protéines membranaires qui présentent en commun la propriété d'avoir une structure hélicoldale. Ces protéines peuvent présenter la structure des hélices dites "alpha". Lorsque lesdites protéines sont organisées sous forme d'une structure hélicoîdale alpha, on observe au centre de l'hélice, selon son axe, un canal (qui sera appelé parfois ci-après "canal axial") sur l'intérieur duquel -se trouvent localisées les liaisons amides et en particulier l'atome d'azote de cette liaison, d'une part, et l'atome d'oxygène du carbone de cette liaison, d'autre part. L'azote présente un doublet libre qui peut se délocaliser et conduire à différentes structures résonnantes, l'analyse de ces différentes structures amènent à prédire dans le canal axial de l'hélice une forte probabilité de présence d'électrons. La mise en évidence, dans le canal axial, d'une hélice alpha de protéines, d'un nuage électronique négatif a permis d'envisager l'utilisation de ce type de structure pour la conduction de charges électriques positives, sous réserve toutefois que la taille des cations en cause soit compatible avec la dimension du canal. En effet, l'environnement électronique ainsi obtenu permet une circulation des charges avec de faibles pertes calorifiques et permet, en outre, le déplacement des charges selon les trajets très proches, donc une densité de charge très importante. C'est pourquoi la présente invention concerne un ensemble assurant un transfert de charges positives, notamment sous l'influence d'un gradient électrique ou d'un gradient chimique, caractérisé en ce qu'il comporte, comme élément de transfert, un polypeptide présentant une structure hélicoidale de type alpha + n (n étant compris entre O et 3), les charges positives se déplaçant sensiblement selon l'axe de l'hélice dudit polypeptide. Dans le cadre de la présente invention on utilisera la terminologie "polypeptide" pour désigner aussi bien une protéine d'origine naturelle ou synthétique qu'un polypeptide, c'est-à-dire un enchaînement d'acides aminés pouvant être tous semblables ou se présenter sous forme de séquences répétitives. Les acides aminés entrant dans la constitution de ces polypeptides pourront être aussi bien des acides aminés naturels que des acides aminés dérivés d'acides aminés naturels, ou bien des acides aminés totalement synthétiques. Lorsque les acides aminés peuvent présenter une isomérie, ceux-ci sont utilisables aussi bien sous forme D que sous forme L, l'utilisation judicieuse de ces deux formes pouvant, éventuellement, permettre une stabilisation de la structure, comme cela sera décrit ci-apres. Enfin, bien que les polypeptides soient essentiellement constitués d'acides aminés, il est possible de prévoir des séquences de type différent dans la mesure où la structure globale n'est pas altérée selon l'objet de l'invention. La notion d'hélice de type alpha + n doit être entendue de la façon suivante: - une hélice alpha est caractérisée en ce que l'amine de la liaison peptidique de rang n établit une liaison hydrogène avec le carbonyle de la liaison peptidique de rang n + 3 ; - une hélice alpha + 1 est caractérisée en ce que l'amine de la liaison peptidique de rang n établit une liaison hydrogène avec le carbonyle de la liaison peptidique n + 4 et ainsi de suite pour les différents types d'hélices. Le rang de l'hélice correspond à priori à une dimension du canal axial. Toutefois, une étude informatique a montré une étonnante souplesse des hélices et une remarquable facilité à s'adapter au diamètre d'un cation. La règle pour former une structure hélicoldale est de choisir de préférence les acides aminés constitutifs de l'hélice parmi les acides aminés les plus hydrophobes, c'est pourquoi on utilisera plus particulièrement des acides aminés tels que la leucine, la valine, l'alanine, l'isoleucine ou la phénylalanine ou leurs dérivés. Bien entendu, il est possible, comme on le verra ci-après, d'utiliser certains acides aminés non hydrophobes pour faciliter l'obtention de certaines structures mais l'essentiel de la chaîne devra être constitué par des acides aminés hydrophobes. Suivant le type d'hélice que l'on désire obtenir et afin de stabiliser les structures correspondantes, il est préférable de disposer au moins à des intervalles réguliers du polypeptide des structures favorisant des interactions qui conduisent à des structures alpha d'ordre désiré. C'est pourquoi il faut citer plus particulièrement les polypeptides présentant les structures séquencées suivantes x-(R)-Y-(R) + . Xet Y sont des structures, notamment des acides aminés non hydro phobes présentant une interaction mutuelle forte, n n ayant la valeur 2 pour l'hélice alpha, ayant la valeur 3 pour l'hélice alpha + I, ayant la valeur 4 pour l'hélice alpha + 2, ayant la valeur 5 pour l'hélice alpha + 3, R R étant choisi parmi les acides aminés hydrophobes. On peut citer notamment comme couple (X, Y) présentant une interaction mutuelle forte le cas où X est la lysine ou AA et Y est respectivement AA ou la lysine , avec AA = acide glutamique ou acide aspartique, ou encore X est une D ou L cystéine et Y est respectivement une L ou D cystéine. On ne peut pas attribuer au canal axial des hélices un diamètre précis comme on l'a vu précédemment. Toutefois, le diamètre théorique pour une hélice alpha est de l'ordre de 60 pm, le diamètre théorique d'une hélice alpha + 1 est de l'ordre de 140 pm, le diamètre théorique d'une hélice alpha + 2 est de l'ordre de 220 pm et celui d'une hélice alpha + 3 de l'ordre de 300 pm. Il faut considérer cependant que chaque type d'hélice est capable de s'adapter parfaitement à la taille d'un cation de taille donnée. Toutefois, des cations peuvent avoir des diamètres compatibles avec certaines hélices, mais être néanmoins trop réactifs, et ne pas donner une bonne interaction. C'est le cas en particulier des cations de valence 3 ou 4. En effet, compte tenu de l'effet de la répulsion électrostatique entre ces cations, tous les sites de l'hélice peuvent ne pas être satisfaits, ce qui peut entrainer la déstabilisation de l'hélice. La situation la plus favorable est celle des cations mono valent. Parmi les ions présentant des diamètres compatibles qui sont néamnoins difficilement utilisables car trop réactifs, en particulier compte tenu de leur degré de valence très éleve, on peut citer CÇ f B3+. Lorsque le polypeptide conçu permet une stabilisation en hélice alpha, celle-ci présente en son centre un canal très fin (quasiment virtuel). Ce canal, dont la paroi est constituée de différentes liaisons peptidiques, fournit un environnement favorable au passage d'un cation de très petite taille Parmi ces cations, il faut citer le proton H+ qui peut, compte tenu de sa taille, circuler librement dans le canal mais qui, pour des raisons thermodynamiques, restera la plupart du temps en solvant aqueux sous forme hydratée. Il en est de même pour l'ion Be (diamètre = 54 pm (picomètre) > . L'hélice alpha ^ 1 présente un canal susceptible de fournir un environnement favorable au passage de cations, comme le cation Li (diamètre = 118 pm), Mi 2+ (diamètre = 116 pm), étant entendu que, compte tenu de sa valence de I, Ition Li+ est le cation le plus intéressant. Les hélices alpha + 2 présentent un canal susceptible de fournir un environnement favorable au passage de cations comme le cation Na (diamètre = 254 pm), Ca2 (diamètre = 200 pm). Là encore, compte tenu de sa valence l'ion Na est l'ion préféré dans ce type de construction. Les hélices alpha + 3 présentent un 'canal susceptible de fournir un environnement favorable au passage de cations comme l'ion K (diamètre = 276 pm). Les diamètres des cations indiqués ci-dessus sont fournis par G.W.C. Kaye et T.H. Laby Tables of Physical and Chemical Constants, Longmans. Les polypeptides selon la présente invention peuvent être préparés par des techniques qui sont connues dans la synthèse des polymères, notamment la synthèse des polyamides, mais également dans des synthèses de type protéique. Egalement, il est possible de prévoir l'obtention de ces produits par des techniques de génie génétique ou par des techniques chimiques, qu'elles soient en phase solide, selon Nlerrifield, ou en phase liquide. Parmi les produits préférés, il faut citer plus particulièrement les composés ayant, au moins partiellement, la structure suivante avec AA = Asp ou Glu Il est possible, afin d'augmenter la solidité de l'hélice, de faire réagir la lysine avec l'acide glutamique ou l'acide aspartique en formant une liaison covalente. En outre, les unités décrites précédemment peuvent être séparées par des séquences entièrement hydrophobes et transmettent à celles-ci leur structure hélicoîdale. Il s'agit, dans ce cas, d'hélices alpha + I et on utilisera plus particulièrement l'ion Li+. Ce type de structure peut être utilisé, tout d'abord, afin d'assurer le transport de charges électriques sous l'influence d'un champ électrique, en particulier le déplacement des charges des cations Li+ conduit à l'apparition d'un courant électrique avec des frottements très faibles, donc une faible dissipation d'énergie calorifique. Les ensembles selon l'invention se présenteront, de préférence, sous forme de fils qui seront soumis à une différence de potentiel. Au contraire, le déplacement de charges pourra conduire à la production de charges électriques. Ainsi, il est possible de prévoir d'autres applications de ce type de structure, en particulier en prévoyant que les extrémités de la structure hélicoîdale sont en contact avec un gradient, notamment chimique, différent ; ceci induit dans le canal une circulation des ions Li et la génération d'un gradient électrique, lequel peut être transformé en courant électrique. En outre, le transfert de cations peut être forcé par application à ces mêmes structures d'un champ électrique, lequel va pouvoir épuiser, en l'un des cations, un compartiment pour enrichir l'autre, ce qui permet d'envisager des transferts de cations, en particulier le désalement de certaines solutions. REVENDICATIONS I) Ensemble assurant un transfert de charges positives notamment sous l'influence d'un champ électrique, caractérisé en ce qu'il comporte, comme élément de transfert, un polypeptide présentant une structure hélicoldale de type alpha + n (de diamètre compris entre 0 et 3) ou béta, les charges positives se déplaçant sensiblement selon l'axe de l'hélice dudit polypeptide. 2) Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polypeptide comporte essentiellement des acides aminés hydrophobes naturels ou synthétiques. 3) Ensemble selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que le polypeptide présente au moins partiellement la structure séquencée suivante . Xet Y sont des structures présentant une interaction mutuelle forte, n n ayant la valeur 2 pour l'hélice alpha, ayant la valeur 3 pour l'hélice alpha + I, ayant la valeur 4 pour l'hélice alpha + 2, ayant la valeur 5 pour l'hélice alpha + 3, R R étant choisi parmi les acides aminés hydrophobes. 4) Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits acides aminés R sont choisis parmi la leucine, la valine, I'alanine, l'isoleucine, la phénylalanine et leurs dérivés hydrophobes. 5) Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que X est une lysine ou AA auquel cas Y est AA ou la lysine respectivement avec AA = acide glutamique ou acide aspartique ; ou X est une D ou L cystéine auquel cas Y est respectivement une L ou D cystéine. 6) Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que X = lysine, Y = AA, R = Leu ou Ala et n = 3. 7) Ensemble selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que les charges positives sont choisies parmi . H Be2 pour les hélices alpha, . Li, Mg2 pour les hélices alpha S I, . Na+, Ca2 pour les hélices alpha + 2, . K+ pour les hélices alpha e 3. 8) Application d'un ensemble selon l'une des revendications 1 à 7 au transfert de charges sous l'action d'un champ électrique ou à la génération d'un champ électrique sous l'influence d'un transfert de charge. 9) Application selon la revendication 8 au transport de charges électriques, caractérisée en ce que les ensembles sont structurés sous forme de fils qui peuvent être soumis à une différence de potentiel assurant le transfert de charges électriques à l'intérieur de la structure hélicoïdale des polypeptides. 10) Application selon la revendication 8, caractérisée en ce que les charges électriques se déplacent sous l'influence d'un gradient chimique.