Gramicidine

Gramicidine
Général
Synonymes	Bacillus brevis gramicidin D
No CAS	1405-97-6
No EINECS	215-790-4
Code ATC	R02AB30
DrugBank	BTD00036
InChI	InChI : Vue 3D InChI=1/C60H92N12O10/c1-35(2)31-43-53(75)67-45(33-39-19-11-9-12-20-39)59(81)71-29-17-25-47(71)55(77)70-50(38(7)8)58(80)64-42(24-16-28-62)52(74)66-44(32-36(3)4)54(76)68-46(34-40-21-13-10-14-22-40)60(82)72-30-18-26-48(72)56(78)69-49(37(5)6)57(79)63-41(23-15-27-61)51(73)65-43/h9-14,19-22,35-38,41-50H,15-18,23-34,61-62H2,1-8H3,(H,63,79)(H,64,80)(H,65,73)(H,66,74)(H,67,75)(H,68,76)(H,69,78)(H,70,77) InChIKey : IUAYMJGZBVDSGL-UHFFFAOYAP Std. InChI : Vue 3D InChI=1S/C60H92N12O10/c1-35(2)31-43-53(75)67-45(33-39-19-11-9-12-20-39)59(81)71-29-17-25-47(71)55(77)70-50(38(7)8)58(80)64-42(24-16-28-62)52(74)66-44(32-36(3)4)54(76)68-46(34-40-21-13-10-14-22-40)60(82)72-30-18-26-48(72)56(78)69-49(37(5)6)57(79)63-41(23-15-27-61)51(73)65-43/h9-14,19-22,35-38,41-50H,15-18,23-34,61-62H2,1-8H3,(H,63,79)(H,64,80)(H,65,73)(H,66,74)(H,67,75)(H,68,76)(H,69,78)(H,70,77) Std. InChIKey : IUAYMJGZBVDSGL-UHFFFAOYSA-N
Propriétés chimiques
Formule brute	C99H140N20O17  [Isomères]
Masse molaire[1]	1 882,2947 ± 0,0981 g·mol-1 C 63,17 %, H 7,5 %, N 14,88 %, O 14,45 %,
Propriétés physiques
Solubilité	5×10−7 mol·l-1[2]
Précautions
Directive 67/548/EEC
Xn
Symboles : Xn : Nocif Phrases R : R20/21 : Nocif par inhalation et par contact avec la peau. R36/37/38 : Irritant pour les yeux, les voies respiratoires et la peau. Phrases S : S26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste. S36 : Porter un vêtement de protection approprié.
Phrases R : 20/21, 36/37/38,
Phrases S : 26, 36,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

La Gramicidine est un mélange d'antibiotiques, aussi nommé gramicidine D d'après René Dubos qui découvrit ce peptide à la fin des années 1930. Ce mélange est composé de gramicidine A (80%), B (6%) et C (14%), et est isolé dans la bactérie Bacillus brevis. C'est un pentadécapeptide composé de 15 acides aminés que l'on retrouve sous forme de chaine linéaire, contrairement à la gramicidine S cyclique. La gramicidine est considérée comme le premier antibiotique naturel découvert et commercialisé.

Histoire

En 1939, le microbiologiste franco-américain René Dubos isole la tyrocidine^[3],[4], et démontre ensuite avec Rollin D. Hotchkiss que cette substance est un mélange composé de tyrocidine et de gramicidine^[5],[6],[7].

Bien que des injections intrapéritonéales sur des souris aient montré que celles-ci étaient protégées contre des infections bactériennes fatales, la gramicidine D est toxique lorsqu'elle est administrée par voie intraveineuse, et ne peut donc être utilisée pour traiter des infections systémiques. Néanmoins, la gramicidine D fut utilisée comme pommade durant la Seconde Guerre mondiale pour traiter des blessures et des ulcères et est encore utilisée dans certaines préparations^[8].

Au cours de sa quatrième année d'étude en chimie à l'université d'Oxford (1946-1947), Margaret Thatcher travaille sur la cristallisation de la gramicidine B, sous la direction de Dorothy Hodgkin (prix Nobel de chimie en 1964)^[9].

Structure

Structure primaire

Les gramicidines se présentent sous la forme de pentadécapeptides linéaires, de masse molaire d'environ 1900 g·mol⁻¹. La structure primaire est constituée de 15 acides aminés, alternant les conformations L- et D-, avec un groupement formyl en position N-terminale et une fonction alcool en position C-terminale^[10] :

HCO-L-Val-D-Gly-L-Ala-D-Leu-L-Ala-D-Val-L-Val-D-Val-L-Trp-D-Leu-X-D-Leu-L-Trp-D-Leu-L-Trp-NH-CH₂-CH₂-OH

Dans le mélange gramicidine D, l'espèce prédominante est la gramicidine A (80%), où l'acide aminé en position 11 (dénoté X dans la séquence) se trouve être un résidu L-Trp. Les gramicidines B et C présentent elles respectivement des résidus L-Phe et L-Tyr en position 11. De plus, il faut noter qu'en position 1, le résidu L-Val est remplacé par le L-Ile dans 5 à 20% des molécules.

Cette séquence est l'une des plus hydrophobe connue^[11], et par conséquence la solubilité dans l'eau de la gramicidine est très faible, de l'ordre de 5×10⁻⁷ mol·l^-1[2].

Structure secondaire

Représentation schématique des structures de la gramicidine D en double hélice (gauche) et simple hélice dimérique (droite)

La particularité de l'alternance d'acides aminés L- et D- dans la structure primaire de la gramicidine implique une grande sensibilité quant à l'environnement dans lequel est placé le peptide. Deux formes principales ont été observé : la forme dimérique en simple hélice et la forme dimérique en double hélice:

• Dans la forme double hélice, les deux chaînes polypeptidiques forment entre elles une série de liaisons hydrogène intermoléculaires sur toute la longueur des chaînes (sous la forme de feuillets bêta parallèles ou antiparallèles) et sont enroulées sous forme d'hélice. Cette structure est décrite comme structure ππ^5,6 ou ππ^6,4 (l'exposant indiquant le nombre d'acide aminé par tour dans chaque hélice monomérique). La version antiparallèle de la double hélice est désignée comme étant la forme poreuse^[12].

• Dans la forme simple hélice, chacune des deux chaînes polypeptidiques forment aussi des liaisons hydrogène, mais principalement de manière intramoléculaire. Les acides aminés en position N-terminale forment six liaisons hydrogène intermoléculaires qui permettent d'associer les deux monomères^[13]. Cette structure est décrite comme structure ββ^6,3 (de même que précédemment, l'exposant indiquant le nombre d'acide aminé par tour dans chaque hélice monomérique). Cette forme est désignée comme étant la forme canal^[12]. Le diamètre de ce canal est de l'ordre de 4 Å, et la longueur du dimère atteint 26 Å, du même ordre de grandeur que la partie hydrophobe de la bicouche lipidique de la membrane plasmique^[14].

Mode d'action

Les gramicidines linéaires sont une famille d'antibiotiques de type porine dont l'activité antibactérienne s'exerce par l'augmentation de la perméabilité cationique de la membrane plasmique de la bactérie cible^[15]. Cette perméabilité est due à la formation de canaux au travers de la bicouche lipidique^[16], du fait de la structure en hélice de la gramicidine dimérique.

Activité antibactérienne

La gramicidine est active contre les bactéries à gram positif, excepté la bactérie Bacilli, et contre les organismes à gram négatif, comme les bactéries Neisseria. Cette activité antibactérienne est utilisée comme antimicrobien, antimycosique et antiprotozoaire (en), et ce depuis sa découverte^[6]. Divers agents pathogènes de maladies sexuellement transmissibles comme Neisseria gonorrhoeae, Candida albicans et Chlamydia trachomatis sont connus pour être sensible à cet antibiotique.

Activité antivirale

La gramicidine est étudiée comme antiviral, et présente une activité contre le VIH^[17] et l'herpès^[18] à des concentrations de l'ordre du nanogramme.

Utilisation clinique

Bien que d'un intérêt limité de nos jours, la gramicidine fût le premier antibiotique naturel découvert et commercialisé^[8]. La gramicidine n'irrite pas les muqueuses et est peu absorbée à travers la peau.

Notes et références

1. ↑ Masse molaire calculée d’après Atomic weights of the elements 2007 sur www.chem.qmul.ac.uk.
2. ↑ ^{a et b} (en) G. Kemp et K. A. Wenner, « Solution and interfacial properties of gramicidin pertinent to its effect on membranes », dans Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., vol. 255, n^o 2, 11 février 1972, p. 493-501 (ISSN 0005-2736) [lien DOI] 
3. ↑ (en) R. J. Dubos, « Studies on a bactericidal agent extracted from a soil bacillus I. Preparation of the agent. Its activity in vitro », dans J. Exp. Med., vol. 70, n^o 1, juillet 1939, p. 1-10 (ISSN 1540-9538) [texte intégral, lien DOI] 
4. ↑ (en) R. J. Dubos, « Studies on a bactericidal agent extracted from a soil bacillus II. Protective Effect of the Bactericidal Agent against Experimental Pneumococcus Infections in Mice », dans J. Exp. Med., vol. 70, n^o 1, juillet 1939, p. 11-17 (ISSN 1540-9538) [texte intégral, lien DOI] 
5. ↑ (en) R. D. Hotchkiss et R. J. Dubos, « Bactericidal Fractions from an Aerobic Sporulating Bacillus », dans J. Biol. Chem., vol. 136, n^o 3, décembre 1940, p. 803-804 (ISSN 0021-9258) [texte intégral] 
6. ↑ ^{a et b} (en) R. J. Dubos et R. D. Hotchkiss, « The Production of Bactericidal Substances by Aerobis Sporulating Bacilli », dans J. Exp. Med., vol. 73, n^o 5, mai 1941, p. 629-640 (ISSN 1540-9538) [texte intégral, lien DOI] 
7. ↑ (en) R. D. Hotchkiss et R. J. Dubos, « The Isolation of Bactericidal Substance from Cultures of Bacillus brevis », dans J. Biol. Chem., vol. 141, n^o 1, octobre 1941, p. 155-162 (ISSN 0021-9258) [texte intégral] 
8. ↑ ^{a et b} (en) H. L. Van Epps, « René Dubos: unearthing antibiotics », dans J. Exp. Med., vol. 203, n^o 2, février 2006, p. 259 (ISSN 1540-9538) [texte intégral, lien DOI] 
9. ↑ (en) Margaret Thatcher, The path to power, New York, HarperCollins, 1995, 656 p. (ISBN 0060927321), p. 39 
10. ↑ (en) R. Sarges et B. Witkop, « Gramicidin A. V. The Structure of Valine- and Isoleucine-gramicidin A », dans J. Am. Chem. Soc., vol. 87, n^o 9, mai 1965, p. 2011-2020 (ISSN 0002-7863) [lien DOI] 
11. ↑ (en) J. P. Segrest et R. J. Feldmann, « Membrane proteins: Amino acid sequence and membrane penetration », dans J. Mol. Biol., vol. 87, n^o 4, 25 août 1974, p. 853-858 (ISSN 0022-2836) [lien DOI] 
12. ↑ ^{a et b} (en) B. A. Wallace, « Recent Advances in the High Resolution Structures of Bacterial Channels: Gramicidin A », dans J. Struct. Biol., vol. 121, n^o 2, 1998, p. 123-141 (ISSN 1047-8477) [lien DOI] 
13. ↑ (en) A. M. O'Connell, R. E. Koeppe et O. S. Andersen, « Kinetics of gramicidin channel formation in lipid bilayers: transmembrane monomer association », dans Science, vol. 250, n^o 4985, 30 novembre 1990, p. 1256-1259 (ISSN 0036-8075) [lien DOI] 
14. ↑ (en) J. A. Killian, « Gramicidin and gramicidin–lipid interactions », dans Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., vol. 1113, 1992, p. 391–425 (ISSN 0005-2736) 
15. ↑ (en) F. M. Harold et J. R. Baarda, « Gramicidin, Valinomycin, and Cation Permeability of Streptococcus faecalis », dans J. Bacteriol., vol. 94, n^o 1, juillet 1967, p. 53-60 (ISSN 0021-9193) [texte intégral] 
16. ↑ (en) S. B. Hladky et D. A. Haydon, « Discreteness of Conductance Change in Bimolecular Lipid Membranes in the Presence of Certain Antibiotics », dans Nature, vol. 225, n^o 5231, 31 janvier 1970, p. 451-453 (ISSN 0028-0836) [lien DOI] 
17. ↑ (en) A. S. Bourinbaiar et S. Lee-Huang, « Comparative in vitro study of contraceptive agents with anti-HIV activity: Gramicidin, nonoxynol-9, and gossypol », dans Contraception, vol. 49, n^o 2, février 1994, p. 131-137 (ISSN 0010-7824) [lien DOI] 
18. ↑ (en) A. S. Bourinbaiar et C. F. Coleman, « The effect of gramicidin, a topical contraceptive and antimicrobial agent with anti-HIV activity,against herpes simplex viruses type 1 and 2 in vitro », dans Arch. Virol., vol. 142, n^o 11, 1997, p. 2225-2235 (ISSN 0304-8608) [lien DOI]