Les lipases 

Généralités sur les lipases

Les lipases (triacyl glycérol hydrolases (EC 3.1.1.3) sont des α/β-hydrolases d’esters du glycérol, elles appartiennent à la famille des hydrolases. Elles sont présentes aussi bien dans des tissus animaux, de végétaux, que chez de nombreux micro-organismes1 . In vivo, les lipases catalysent, en milieu aqueux, la décomposition, par hydrolyse, des triglycérides en diglycérides, monoglycérides, acides gras et glycérol. Leur utilisation in vitro permet non seulement d’effectuer des réactions d’hydrolyse, en milieu aqueux, mais également de nombreuses autres réactions en milieu organique, comme les estérifications, les transestérifications et les amidations2,3. Comme la plupart des autres biocatalyseurs, les lipases présentent souvent une très grande chimio-, régio- et énantiosélectivité4 . Mais l’avantage essentiel des lipases est qu’elles ne nécessitent pas la présence d’un cofacteur, contrairement à beaucoup d’autres biocatalyseurs5,6

Les réactions catalysées par les lipases

En fonction du milieu réactionnel, conventionnel (milieu aqueux) ou non-conventionnel (solvants organiques), des substrats mis en jeu et des conditions réactionnelles, les lipases peuvent catalyser un très large éventail de réactions. Ces réactions ont lieu avec tous les avantages inhérents à l’utilisation des biocatalyseurs en général : douceur des conditions réactionnelles, activité et surtout sélectivité exceptionnelles.

Réaction d’hydrolyse

En milieu aqueux, les lipases catalysent l’hydrolyse de la fonction ester. La réaction s’effectue à l’interface entre le substrat hydrophobe et le milieu aqueux, formant ainsi un système réactionnel biphasique. Ce dernier résulte de la présence d’une phase organique non miscible à l’eau, constituée soit de l’ester seul, soit de l’ester dissout dans un solvant non miscible à l’eau. Quand il s’agit d’un substrat asymétrique, les lipases présentent souvent une grande sélectivité. A cause cette activité hydrolytique, les lipases trouvent des applications dans de nombreux secteurs industriels comme l’industrie des détergents et l’industrie laitière pour la production d’arômes, ainsi dans la résolution d’esters racémiques. Chapitre 1. [1. Les lipases] 10 A titre d’illustration, l’exemple ci-dessous montre la résolution du (R,S)-mandelate de méthyle par hydrolyse par la lipase de Candida rugosa, un rendement de 73% et avec eep de 96% ont été obtenus7 . Schéma 1.1. Résolution énantiosélective du (R,S)-mandelate de méthyle par la CRL7 .

Réactions de synthèse

En milieu non-conventionnel, à faible activité de l’eau, les lipases possèdent également la capacité de catalyser une grande variété de réactions de synthèse, tout en acceptant une large gamme de substrats synthétiques et en gardant leurs propriétés de régio, chimio et énantiosélectivité. Ces caractéristiques très intéressantes des lipases les classent parmi les biocatalyseurs les plus utilisés en synthèse organique, spécialement pour la résolution des mélanges racémiques visant l’accès à des molécules de haute pureté optique. 

L’estérification

Les lipases catalysent cette réaction en fonction de la quantité d’eau libre présente dans le milieu. Dans l’exemple suivant, la lipase de Rhizopus oryzae (ROL) a été utilisée pour catalyser la réaction d’estérification entre l’acide acétique et le butanol dans le but de produire l’acétate de butyle (saveur d’ananas). Schéma 1.2. Synthèse de l’acétate de butyle catalysé par ROL8 . Chapitre 1. [1. Les lipases] 

La transestérification

La transestérification regroupe deux réactions : l’alcoolyse (la réaction d’un groupe d’acyle avec alcool) et l’acidolyse (la réaction d’un groupe d’acyle avec acide). Il existe plusieurs applications industrielles de la transestérification, parmi lesquelles, la production de biodiesels et la résolution des mélanges racémiques. L’exemple suivant illustre la résolution du (R,S)-1-phénylethanol par acylation énantiosélective, utilisant l’acétate de vinyle comme donneur d’acyle et l’hexane comme solvant. La lipase de Burkholderia cepacia (BCL) a été employée dans cette étude. OH + O O OH + O O BCL Organic solvent H O + (R,S)-1-phenylethanol vinyl acetate (R)-1-phenylethyl acetate Schéma 1.3. La lipase de Burkholderia cepacia catalyse la résolution (R,S)-1-phénylethanol9 . 

L’interestérification

La réaction d’interestérification se produit par le transfert d’un groupe d’acyle d’un ester à un autre ester. Cette réaction trouve une large application dans la synthèse de lipides10. Dans l’exemple ci-dessous, la lipase de Candida rugosa (CRL) a été employée pour la production de biodiesels par l’interestérification de triglycérides avec l’acétate de méthyle. Schéma 1.4. L’interestérification de triglycérides par CRL pour la production de biodiesels11 . Chapitre 1. [1. Les lipases]

L’aminolyse

Les lipases peuvent catalyser également la réaction entre une amine et un ester qui conduit à la formation d’une fonction amide. Les réactions d’aminolyse catalysées par les lipases ont une grande importance dans la synthèse des amides substituées d’intérêt pharmaceutique et la résolution des aminoalcools chiraux. L’aminolyse du trans-2-phenylcyclopentanamine par la lipase de Candida antarctica B (CALB), présentée dans l’exemple suivant, donne un produit avec un bon rendement et d’excellents excès énantiomèriques : NH2 Ph O O CALB Organic solvent HN Ph O (1S,2R)-2-phenylcyclopentanamine N-((1R,2S)-2-phenylcyclopentyl)acetamide ethyl acetate + Schéma 1.5. L’aminolyse énantiosélective du trans-2-phenylcyclopentanamine par CALB12 . 1.3. Structure et mécanisme d’action des lipases 1.3.1. Généralités Comme toutes les protéines, les lipases sont constituées d’enchainement d’acides aminés, qui sont reliés les uns aux autres par des liaisons peptidiques qui se forment entre le groupement carboxylique du premier acide aminé et le groupement aminé suivant : Chapitre 1. [1. Les lipases] 13 Cette chaîne d’acides aminés détermine la structure primaire de l’enzyme. La structure secondaire des protéines est classiquement définie par le repliement de la chaine polypeptide en hélice α ou en feuillet β (figure 1.1). Figure 1.1. Structure secondaire d’une protéine. Hélice α et feuillets plissés β. La structure tertiaire est due à la formation de différentes liaisons intramoléculaire et interactions, dont les ponts disulfures, les liaisons hydrogène, liaisons ioniques et les interactions hydrophobes (figure 1.2). Figure 1.2. Structure tertiaire d’une protéine. Chapitre 1. [1. Les lipases] 14 L’étude structurale cristallographiques des lipases, par diffraction aux rayons X, révèle trois caractéristiques principales : a. Un repliement α/β : Le repliement α/β est la structure de base commune de toutes les lipases connues, formé d’un corps central de 8 feuillets β connectés aux 6 hélices par un coude nucléophile appelé ″γturn″ contenant le résidu catalytique sérine (nucléophile, Nu). Ce dernier est la caractéristique la plus importante et la plus conservée des α/β hydrolases.