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LA SOIE D’ARAIGNEE

La soie que produisent les araignées pour tisser leurs toiles ou envelopper leurs proies possèdent des propriétés physico-chimiques si exceptionnelles (finesse, régularité, élasticité, solidité, imputrescibilité, etc…) qu’elle est devenue un sujet d’étude pour de nombreux scientifiques. Cet exercice aborde plusieurs aspects de la soie d’araignée considérée comme un matériau d’avenir.

1. Composition de la soie d’araignée

La soie d’araignée est essentiellement composée de fibroïne, une molécule constituée de plusieurs centaines d’acides aminés reliés les uns aux autres par des liaisons peptidiques. Les deux principaux acides aminés présents dans la fibroïne sont la glycine (40 % environ) et l'alanine (25-30 % environ) dont les formules semi-développées sont indiquées ci-dessous.

Selon l’enchaînement des différents acides aminés au sein de la macromolécule de fibroïne, cette protéine peut adopter deux structures géométriques tridimensionnelles différentes : soit une structure semi-cristalline en feuillets bien ordonnés, soit une structure amorphe inorganisée.

La soie d’araignée est donc un matériau dont les propriétés mécaniques découlent de l’organisation structurale particulière de la molécule de fibroïne : des régions cristallines expliquent la résistance élevée de la soie d’araignée tandis que des régions amorphes sont responsables de son importante élasticité.

1.1. Pourquoi les molécules de glycine et d’alanine appartiennent-elles à la famille des acides aminés ?

1.2. La molécule de glycine possède-t-elle des stéréoisomères ? Argumenter.

1.3. La molécule d’alanine compte deux stéréoisomères
Donner la représentation de Cram de ces deux stéréoisomères, puis justifier le type de relation de stéréoisomérie qui les lie.

1.4. Après avoir hydrolysé les protéines de la soie d’araignée, on en extrait la glycine et l’alanine. On réalise ensuite une spectroscopie RMN du proton afin de caractériser leur présence.
Indiquer le nombre de protons équivalents dans chaque molécule et prévoir, en expliquant votre démarche, le nombre et la multiplicité des signaux observés dans chacun des spectres RMN de la glycine et de l’alanine, sachant que les atomes d’hydrogène reliés aux atomes d’oxygène et d’azote n’interviennent pas dans la multiplicité des signaux des atomes d’hydrogène voisins

2. Biomimétisme chimique

Actuellement, les chimistes cherchent à réaliser des fibres artificielles reproduisant les propriétés de la soie d’araignée en créant des polypeptides dont la composition et la structure sont les plus proches possible de celles de la fibroïne. Les polypeptides sont de longues molécules obtenues par l’assemblage de plusieurs acides aminés La réaction permettant d’assembler deux acides aminés est appelée « synthèse peptidique ».

Principe et mécanisme réactionnel d’une synthèse peptidique

Stratégie de synthèse

Pour synthétiser un dipeptide donné, les chimistes protègent au préalable les fonctions organiques qui ne doivent pas réagir ensemble, puis font réagir les fonctions non protégées (synthèse peptidique), et enfin déprotègent les fonctions n’ayant pas participé à la synthèse En l’absence de ces précautions, plusieurs dipeptides différents peuvent être obtenus au terme de la synthèse peptidique.
Donnée : Comparaison des électronégativités de quelques éléments : $$\chi(H) \approx \chi(C)$$ $$\chi(C) < \chi(O)$$

2.1. Nommer la nouvelle fonction chimique présente dans le dipeptide Gly-Gly.

2.2. Analyse du mécanisme réactionnel

2.2.1. Recopier l'étape A du mécanisme réactionnel de cette synthèse et la compléter par le tracé des flèches courbes nécessaires Justifier précisément l’orientation de la flèche conduisant à la formation de la liaison.

2.2.2. L’étape B de ce mécanisme réactionnel correspond à une « réaction acido-basique intramoléculaire ». Justifier cette appellation.

2.2.3. À quelle catégorie de réaction appartient l’étape C de ce mécanisme réactionnel ? Justifier.

2.3. Combien de dipeptides différents peut-on, a priori, obtenir par synthèse peptidique d’un mélange de glycine (Gly) et d’alanine (Ala), sous la forme d’un unique énantiomère chacun ? Argumenter votre réponse.

2.4. La fabrication de fibres artificielles aussi élastiques et solides que la soie d’araignée utilise le dipeptide Gly-Ala comme motif de base de la chaine polypeptidique. La formule topologique de ce dipeptide est la suivante :

Ce dipeptide étant obtenu par synthèse peptidique en faisant réagir de la glycine (Gly) et de l’alanine (Ala), préciser la (ou les) fonction(s) que l’on doit protéger sur chacune de ces deux molécules pour obtenir uniquement le dipeptide Gly-Ala.

CORRECTION

1.1. Pourquoi les molécules de glycine et d’alanine appartiennent-elles à la famille des acides aminés ?

Les acides aminés sont des molécules qui possèdent à la fois un groupe acide : la fonction acide carboxylique (bleu) ionisable en $\ce{COO-}$, et un groupe basique : la fonction amine primaire (violet) ionisable en $\ce{NH3+}$.

La glycine et l’aniline possèdent ces groupes, ce sont donc des acides aminés.

1.2. La molécule de glycine possède-t-elle des stéréoisomères ? Argumenter.

Non, car la glycine ne possède pas de carbone asymétrique, donc pas d’énantiomère. De plus elle n’a pas de double liaison entre deux carbones, elle n’a pas donc pas de diastéréoisomères.

1.3. La molécule d’alanine compte deux stéréoisomères
Donner la représentation de Cram de ces deux stéréoisomères, puis justifier le type de relation de stéréoisomérie qui les lie.

Ces deux espèces sont images l’une de l’autre par rapport un miroir (représenté par le trait noir) mais ne se superposent pas, on dit qu’elles sont chirales. Ce sont donc des énantiomères.

1.4. Après avoir hydrolysé les protéines de la soie d’araignée, on en extrait la glycine et l’alanine. On réalise ensuite une spectroscopie RMN du proton afin de caractériser leur présence.
Indiquer le nombre de protons équivalents dans chaque molécule et prévoir, en expliquant votre démarche, le nombre et la multiplicité des signaux observés dans chacun des spectres RMN de la glycine et de l’alanine, sachant que les atomes d’hydrogène reliés aux atomes d’oxygène et d’azote n’interviennent pas dans la multiplicité des signaux des atomes d’hydrogène voisins

• A) 2 protons équivalents substitués à un azote, donc ils sortiront sous forme de singulet.
• B) 2 protons équivalents substitués à un carbone qui n’est voisin d’aucun autre carbone donc ils sortiront sous forme de singulet.
• C) 1 proton équivalent substitué à un oxygène : il sortira sous forme de singulet.

La glycine possède 3 groupes de protons équivalents. Ils sont tous isolés (c’est-à-dire qu’ils ne sont pas couplés entre eux). Son spectre RMN présentera donc 3 singulets.

• A) 2 protons équivalents substitués à un azote, donc ils sortiront sous forme de singulet.
• B) 1 proton équivalent substitué à un carbone voisin d’un autre carbone portant 3 protons. Ces protons sont donc couplés : n = 3 + 1 = 4
  Ce proton sortira sous forme de quadruplet.
• C) 3 protons équivalents substitués à un carbone voisin d’un autre carbone portant 1 proton. Ces protons sont donc couplés : n = 1 + 1 = 2
  Ces protons sortiront sous forme de doublet.
• D) 1 proton équivalent substitué à un oxygène il sortira sous forme de singulet.

2.1. Nommer la nouvelle fonction chimique présente dans le dipeptide Gly-Gly.

La nouvelle fonction est une fonction amide.

2.2. Analyse du mécanisme réactionnel

2.2.1. Recopier l'étape A du mécanisme réactionnel de cette synthèse et la compléter par le tracé des flèches courbes nécessaires Justifier précisément l’orientation de la flèche conduisant à la formation de la liaison.

Les flèches de mécanismes réactionnels représentent les mouvements des électrons qui vont toujours de sites riches en électrons vers les sites pauvres en électrons.

• La fonction carbonyle de la première molécule de glycine : L’atome de carbone est lié à deux atomes d’oxygène, il y a donc des liaisons polarisées, c’est-à-dire qu’il y a une différence d’électronégativité entre les atomes de la liaison, et les électrons qui forment cette liaison sont déplacés vers l’atomes le plus électronégatifs : il va apparaître des charges partielles. (C’est-à-dire qu’il ne s’agit pas d’ions, qui sont des atomes séparés et qui possèdent chacun une charge.)
  L’oxygène étant plus électronégatif par rapport au carbone, il va attirer les électrons vers lui, il en résulte que le carbone va avoir une charge partielle positive : on dit qu’il est électrophile (faible en électrons, il « aime » les électrons). Et l’oxygène va avoir une charge partielle négative : on dit qu’il est nucléophile (riche en électrons, il « aime » les noyaux car ses électrons y sont attirés).
  Avec ce que l’on vient d’expliquer, on peut déterminer que le carbone est donc le site pauvre en électrons de ce groupe, et qui va vouloir réagir avec un site riche en électrons.
• L’azote de la fonction amine de l’autre glycine : cet azote est lié à un carbone dont l’électronégativité est plus faible. La liaison est polarisée dans le sens de l’azote, c’est lui qui attire les électrons. De plus, il possède un doublet non-liant, c’est donc lui le site riche en électrons qui va vouloir réagir avec le carbone de l’autre glycine.

La première flèche va donc partir des électrons du doublet non-liant de l’azote du groupe amine vers le carbone du groupe carbonyle.
Or il faut faire attention, un carbone pentavalent (qui a 5 liaisons) n’existe pas ! Il va donc casser une de sas quatre autres liaisons : il a 3 liaisons $\sigma$ (plus simplement liaisons simples) et une liaison $\pi$ (plus simplement une liaison double). La liaison $\pi$ étant la plus haute en énergie et donc la moins stable, c’est elle qui se cassera en premier. Et l’atome l’oxygène étant très électronégatif, sera capable de capter les électrons de cette liaison.
Finalement, le mécanisme est :

2.2.2. L’étape B de ce mécanisme réactionnel correspond à une « réaction acido-basique intramoléculaire ». Justifier cette appellation.

Une réaction acido-basique est caractérisée par un échange de proton d’un acide vers une base. Dans cette étape il y a bien un transfert de proton de la fonction amine ionisée $\ce{NH2+}$ vers le groupe hydroxyle $\ce{OH}$. Ce transfert se fait entre ses deux groupes d’une même molécule, on dit que c’est intramoléculaire.

2.2.3. À quelle catégorie de réaction appartient l’étape C de ce mécanisme réactionnel ? Justifier.

Dans cette étape le dipeptide perd une molécule d’eau, c’est donc une réaction d’élimination (déshydratation).

2.3. Combien de dipeptides différents peut-on, a priori, obtenir par synthèse peptidique d’un mélange de glycine (Gly) et d’alanine (Ala), sous la forme d’un unique énantiomère chacun ? Argumenter votre réponse.

La réaction entre deux peptides glycine donne la Gly-Gly.
La réaction entre deux peptides aniline donne un dipeptide.
La réaction entre la glycine et l’aniline peuvent donner les deux peptides suivants :

En tout cela fait 4 dipeptides différents.

2.4. La fabrication de fibres artificielles aussi élastiques et solides que la soie d’araignée utilise le dipeptide Gly-Ala comme motif de base de la chaine polypeptidique. La formule topologique de ce dipeptide est la suivante :

Pour former ce produit il faut que la fonction amine de l’aniline réagisse avec la fonction carbonyle de la glycine. Or la fonction amine de la glycine voudra aussi réagir avec la fonction carbonyle de l’aniline.
Pour que seule la réaction formant le dipeptide Gly-Ala se produise, il faut protéger la fonction carbonyle de l’aniline et la fonction amine de la glycine.

* Source : session 2016 Liban, exercice II.