Enzymologie

Enzymologie

Définition des enzymes

Allostérie et coopérativité

Classification des enzymes

Inhibitions

Inhibition compétitive

Inhibition suicide

Mécanismes de catalyse enzymatique

Inhibition non compétitive

Site actif et état de transition

Modèle de Michaelis-Menten

Facteurs affectant les enzymes

Définition des enzymes

Les enzymes sont des molécules, généralement des protéines, qui présentent une activité catalytique. En effet, elles permettent de catalyser une réaction chimique. Elles sont hautement spécifiques car la fixation de leur substrat dépend de leur forme. Cette forme est déterminée par leurs structures primaire, secondaire, tertiaire et parfois quaternaire.

Une enzyme catalyse une réaction chimique

Définition des enzymes

Les enzymes sont fabriquées par les cellules, comme les autres protéines, au travers des mécanismes de transcription (ADN --> ARN) et de traduction (ARN --> séquence d'acides aminés). Cependant, une fois produite, les enzymes peuvent : - rester à l'intérieur de la cellule et sont alors nommées enzymes intracellulaires. Exemple : ADN polymérase ; - être sécrétées l'extérieur des cellules, et sont appelées enzymes extracellulaires. Exemple : l'amylase salivaire est produite par les cellules des glandes salivaires, mais est déversée dans la cavité buccale pour agir.

Classification des enzymes

Les enzymes sont classées par une commission internationale, selon le type de réaction chimique qu'elles catalysent. La nomenclature est appelée EC (ou Enzyme Commision numbers). Chaque réaction enzymatique est désignée par un code à quatre nombres séparés par un point (exemple : EC 2.7.1.1 pour l'enzyme hexokinase). Le premier chiffre correspond à la classe, et il en existe 6 différentes. Les chiffres suivants permttent de caractériser de manière plus spécifique chaque enzyme et la réaction qu'elle catalyse.

Pour plus de détails sur la nomemclature

Mécanismes de catalyse enzymatique

Remarque : certaines enzymes combinent différents mécnanismes au cours de leur catalyse.

Site actif et état de transition

Une intéraction "clé-serrure"

Les enzymes ont un site actif qui est en général une cavité sur sa surface, adaptée à la forme du ou des substrats, comme la forme d'une clé à celle d'une serrure. Des intractions intermoléculaies (électrostatiques, van der Waals) entre les atomes de l'enzyme et ceux du substrat stabilisent la formation d'un complexe enzyme-substrat (ES). Dans ce complexe, des groupements fonctionnels de l'enzyme sont positionnées pour réaliser la catalyse.

Pour qu'une réaction chimique ait lieu, des liaisons chimiques doivent être rompues. Or, cela nécessite de l'énergie. Les réactions peuvent être accélérées soit en ajoutant de l'énergie ou en abaissant la quantité d'énergie nécessaire. Augmenter la température est un moyen d'ajouter de l'énergie au système et donc d'accélérer une réaction chimique. Cependant, cela n'est possible que dans une certaine limite chez les organismes vivants. Les enzymes permettent de surmonter ce problème en abaissant la quantité d'énergie nécessaire pour que les réactions chimiques aient lieu.

L'enzyme dihyfrofolate réductase

Site actif et état de transition

Théorie de l'état de transition

L'état de transition est une forme intermédiaire de haute énergie sur le chemin réactionnel qui mène du substrat au produit. L'enzyme n'affecte pas l'équilibre de la réaction, en revanche, elle en abaisse l'énergie d'activation, nommée ΔG. Elle utilise pour cela l'énergie de liaison du substrat pour stabiliser l'état de transition. L'enzyme a donc plus d'affinité pour l'état de transition avec lequel elle fait souvent des interactions additionnelles. La réaction est accélérée car la barrière d'énergie à franchir est plus basse.

Site actif et état de transition

Le cycle cataytique

Facteurs affectant les enzymes

La température, le pH, la concentration en substrat et la concentration de l'enzyme elle-même affectent le taux d'activité de l'enzyme. Tous ces facteurs doivent donc être régulés dans le corps afin de permettre le bon fonctionnement de ces enzymes.

Remarque : Dans toute chaîne enzymatique impliquant au moins deux étapes réactionnelless, c'est toujours la réaction la plus lente qui conditionne la vitesse globale. Donc, si une enzyme peut transformer un subtrat en produit à une vitesse de 1 par nanoseconde, mais que la formation du complexe enzyme-substrat prend 100 nanosecondes, la vitesse de réaction finale sela de 1 pour 100 nanosecondes. Dans cet exemple particulier, la fixation est l'étape limitante de la vitesse.

Modèle de Michaelis-Menten

Un modèle simplifié à un substrat

Les hypothèses de Michaelis-Menten sont jusitifiées dans un test enzymatique standard. L'étape limitante d'une réaction enzymatique est en général la transformation du substrat en produit, qui correspond au passage de la barrière d'activation (état de transition). Cette étape est généralement plus lente que la fixation du substrat, ce qui justifie l'hypothèse du pré-équilibre rapide. Pour satisfaire les deux autres hypothèses, il suffit d'ajuster les conditions expérimentales : faible concentration d'enzyme, absence initiale de produit dans le mélange réactionnel.

Modèle de Michaelis-Menten

Une vitesse hyperbolique en fonction du substrat [S]

La constante de Michaelis, KM est approximativement égale à la constante de dissociation du substrat pour l'enzyme. Lorsque la concentration en substrat [S] est égale à la constante KM, la vitesse de réaction est égale à la moitié de la vitesse maximale Vmax.

Plus de détails sur cette équation

Inhibitions enzymatiques

Les enzymes peuvent être ralenties voire stoppées par des substances autour d'elles. Ce phénomène est appelé inhibition. Il existe deux types d'inhibition : compétitive et non-compétitive, qui peuvent être reconnus selon la façon dont est modifée la courbe de la vitesse de réaction en fonction de la concentration en substrat.

Inhibition compétitive

Fixation non covalente au site actif de l'enzyme

L'inhibiteur se fixe au site actif, avec une constante d'équilibre Ki. La fixation de l'inhibiteur empêche la fixation du substrat S. Il y a compétition entre les deux.

Lorsque la concentration en inhibiteur augmente, le KM apparent croît. La vitesse maximale Vmax reste inchangés (même asymptote).

Exemple d'IC

Un cas particulier d'inhibition compétitive : l'inhibition suicide (ou IC irréversible)

Inactivation irréversible de l'enzyme

L'inhibiteur se fixe au site actif et réagit avec l'enzyme. Cette réaction bloque l'activité catalytique, le plus souvent de manière irréversible, par formation d'une liaison covalente qui bloque le site actif.

L'aspirine, un inhibiteur suicide de l'enzyme cyclo-oxygénase (COX)

La cyclo-oxygénase est la cible des médicaments anti-inflammatoires non stéréroïdiens. L'aspirine est un inhibiteur compétitif suicide qui réagit avec une sérine de la COX, dont elle acétyle le groupement OH. Le substrat, l'acide arachidonique, ne peut ainsi plus accéder au site actif une fois la sérine acétylée. La figure ci-contre montre les 2 sous-unités de l'enzyme COX, celle de droite inactivée par l'asprine.

Inhibition non compétitive

Fixation sur un site distinct du site actif de l'enzyme

L'inhibiteur se fixe sur un site distinct du site actif, avec une constante d'équilibre Ki. Cette fixation n'entre pas en compétition avec la fixation du substrat S sur le site actif, mais la configuration du site actif est modifiée. La fixation de l'inhibiteur bloque donc la transformation du substrart en produit.

Lorsque la concentration en inhibiteur augmente, la vitesse maximale Vmax décroît. La constante KM reste inchangée.

Exemple d'INC

Allostérie et coopérativité

Régulation allostérique

Certaines enzymes possèdent un ou plusieurs sites de régulation appélés sites allostériques. Cela permet de stimuler ou freiner la réaction chimique catalysée par l'enzyme.

Vidéo : régulation allostérique

Allostérie et coopérativité

Coopérativité des protéines multimériques

De nombreuses protéines sont composées de plusieurs sous-unités. On les appele alors protéines multimériques. Les sous-unités peuvent adopter deux conformations différentes pour le substrat : une conformation à forte affinité avec le substrat et une conformation à plus faible affinité avec le substrat. La fixation du substrat sur un monomère modifie les équilibres entre les différentes conformations.

La coopérativité positive se traduit par une réponse sigmoïde en fonction de la concentration de substrat.

Allostérie et coopérativité

Le modèle allostérique concerté (Monod-Wyman-Changeux)

Dans le modèle concerté, toutes les sous-unités sont dans la même conformation et basculent de manière concertée. L'état T est majoritaire en l'absence de substrat.

Allostérie et coopérativité

Le modèle allostérique séquentiel (Koshland-Nemethy-Fischer)

Dans le modèle séquentiel, la fixation du substrat sur une sous-unité induit son changement d'état T > R de manière indépendante. On a ainsi une conversion progressive de la conformation.

Allostérie et coopérativité

L'exemple de l'hémoglobine

L'hémoglobine est composée de 4 sous-unités (2 α et 2 β), contenant chacune un "hème" qui correspond à la zone de fixation du dioxygène.

La figure ci-contre montre la fonction de saturation de l'hémoglobine (Hb). Elle est comparée à celle de la myoglobine (Mb, protéine monomérique des cellules musculaires qui lie également le dioxygène). Pour Hb: 100% de saturation signifie 4 O2 par Hb α2β2 . Pour Mb : 100% de saturation signifie 1 O2 pour une Mb. La courbe de saturation de Mb est une hyperbole classique. La courbe de saturation de Hb possède une allure sigmoïde. Cette allure est due à un effet coopératif car sur l'hémoglobine (protéine multimérique) : l'O2 exerce un effet coopératif positif sur sa propre fixation.

Allostérie et coopérativité

Pour récapituler sur la coopération allostérique

Pour aller plus loin sur la coopération allostérique : systèmes K et systèmes V

Systèmes K

Systèmes K et représentation de Hill

Systèmes V