Cours 1: Enzymes, catalyse enzymatique

Biochimie - Cours
Chapitre I : Enzymologie
COURS 1 : Enzymes et catalyse enzymatique
Introduction
Les enzymes sont des protéines qui catalysent des réactions biologique, elles permettent donc
à la réaction chimique nécessaire à la vie de s’effectuer à des vitesses élevées.
I- Catalyse
1.1. Définition
Elles désignent l’accélération d’une réaction grâce à une substance appelée catalyseur. Ce
dernier peut être chimique ou biologique.
1.2. [BLANC – BLANC – BLANC - BLANC]
Toutes réactions atteignent un équilibre dans un temps plus ou moins long, une réaction est
réversible et s’écrit :
k-1
A+B
C+D
K1
La vitesse de réaction qui produit C et D s’écrit : V1=k1 [A] x [B].
La vitesse de réaction qui produit A et B s’écrit : V2=k-1 [C] x [D].
Soit k1 ; k-1 : Constante de vitesse d’une réaction.
A l’équilibre, les vitesses sont égales.
Soit k1[A]e[B]e= k-1 [C]e[D]e =>
La capacité des molécules A et B a réagir pour C et D est caractérisé par un paramètre appelée
énergie libre : G. Lorsque A et B réagissent pour donner C et D il se créé une variation
d’énergie libre noté ∆G.
1.3. Energie d’activation et rôle des catalyseurs
1.3.1 Energie d’activation
Une réaction exergonique est spontané, ce qui ne veut pas dire qu’elle se fasse rapidement
(ex : H2O2). Dans les organismes vivants, il est impossible d’attendre que la réaction se fasse
seule. Il faut donc l’accélérer grâce au catalyseur
Dans le système A et B doivent recevoir une énergie supplémentaire (Ea) qui les faits passé
dans un état excité, le rôle catalyseur est de laisser la valeur de Ea.
1.3.2 Principales propriété des catalyseurs
Cas général :
- Le catalyseur ne peut pas rendre possible une réaction endergonique.
- Il augmente la vitesse de réaction en diminuant Ea.
- Il ne modifie pas les concentrations à l’équilibre. L’équilibre est atteint plus
rapidement mais n’est pas modifié.
- Il se retrouve intact à la fin de la réaction bien qu’il se trouve temporairement au
molécule réagissante.
- Il est nécessaire en faible dose grâce à sa régénération.
Cas particulier des enzymes :
- Diminue énormément Ea. La vitesse des réactions sont multiplié par 10^8 à 10^11.
- Les enzymes sont des protéines, elles ne fonctionnent donc que dans des domaines de
pH et de température adaptés. Elles sont sélectives :
 Une enzyme donnée transforme un seul substrat ou une seul famille de substrat (ex :
béta-galactosidase).
 Le produit obtenu est spécifique.
II-
Caractéristique de la catalyse enzymatique
2.1. Structure des enzymes
2.1.1. Partie protéique
La plupart des enzymes sécrétées sont constituées d’une seule chaîne peptidique, elles sont
alors appelée enzymes monomériques (et n’ont pas de structure quaternaire).
D’autres à l’inverse sont beaucoup plus nombreuse et sont constituée de plusieurs chaînes
peptidiques. Ces sont des enzymes polymériques (Structure quaternaire). Enfin ils arrivent
que les enzymes qui catalysent une suite de réaction de la même voie métabolique s’associe
sous la forme d’un complexe multi enzymatique.
2.1.2. Cofacteur ou coenzyme
Ils existent plusieurs types de cofacteur :
- Ion métallique (métallo enzymes) tel que le Fe2+, Mg2+.
- Vitamine B et C : C’est un composé organique nécessaire en très faible quantité et que
l’organisme ne peut pas synthétiser.
- Les groupements prothétiques : sont des molécules organiques non protéiques qui se
fixent de façon covalente à l’enzyme (F.A.D).
- Les cosubstrats : molécule organique non protéique qui se fixe de façon réversible à
l’enzyme (N.A.D).
2.2. Relation enzymes/substrat
2.1.1. Mise en évidence du complexe Enzymes/Substrat
Deux expériences permettent de mettre en évidence la présence d’un complexe :
- La dialyse à l’équilibre : 2 compartiments sont séparés par une membrane perméable
uniquement aux petites molécules l’une des compartiments contient des enzymes,
l’autres contient un pseudo-substrat radioactif et se fixe irréversiblement à l’enzyme.
-
Chromatographie d’affinité sur colonne : On prépare une colonne de résine sur
laquelle on greffe un pseudo-substrat. On dépose
une solution d’enzyme en haut de la colonne et on
analyse les fractions. Les fractions récupérées en
bas de la colonne. On ne retrouve jamais
d’enzymes dans les fractions éluées. Elle est donc
retenue par le substrat montrant le complexe E-S.
2.2.2 Notion de site actif
Dés le début du siècle, Michaélis a suggéré l’existence du complexe –ES comme étape
préalable à la catalyse. L’enzyme est une macromolécule alors que le substrat est en général
une petite molécule d’où l’hypothèse que seule une petite structure de l’enzyme intervient
dans la fixation du substrat (site actif). Le site actif est composé de groupement chimique qui
ne sont plus rapprochés entre eux dans la séquence de la protéine mais qui le sont dans la
formation spatiale grâce à des repliements.
Le site actif est composé d’un de fixation :
- Les acides aminés de ce site permettent la reconnaissance du substrat.
- Le site catalytique : le site de fixation oriente le substrat vers certains acides aminés
dont le rôle est de participer à la transformation du substrat. Le maintien du substrat
dans l’enzyme se fait par des liaisons faibles :
 Force de Van Der Waal
 Liaison Hydrogène
 Liaison ioniques
 Liaison hydrophobe
2.2.3 Notion de site actif
Si on dénature l’enzyme, cette dernière perd sa conformation native et elle est également
inactif (pH et température défavorable). Certains enzymes sont synthétisés sous la forme de
précurseur inactif appelée zymogène ou pro enzyme. Le site actif est déjà présent mais il est
marqué au substrat pour devenir actif l’enzyme subie un clivage de la chaîne peptidique.
2.2.4 Notion de site actif
Es*1 et Es*2 sont des états excités d’une durée de vie très courte quand le système atteint l’état
Es*1 il peut basculer soit vers Es soit vers E+S
2.2.5 Notion d’affinité
Une enzyme a une affinité pour un substrat donné cette affinité correspond à sa capacité de
reconnaître le substrat et à former un complexe ES avec lui.
On définie une constante d’affinité k1/k2.La réaction P donne ES n’existe pas en effet une
caractéristique importante de l’enzyme est sa grande affinité pour le substrat et sa très faible
affinité pour P. Quand le système atteint l’état ES2*, il ne peut basculer que vers E+P
L’ensemble du procésus catalytique : E+S <-> ES -> E+P
2.3. Relation enzymes/substrat
2.2.5 Liée à la réaction
Cette spécificité se définie par une enzyme qui ne peut catalyser qu’une seule type de réaction
chimique
La spécificité de la réaction est la base de la classification des enzymes en 6 classes. Cette
spécificité est liée à la nature chimique est à l’arrangement spatiales des acides aminés de
reconnaissance du site actif. Elle peut être très large. Une enzyme reconnaît une grande
variété de substrat, très étroite (une enzyme reconnaît un seul substrat ou un intermédiaire.
Il existe une classification :
-
-
Spécificité liée à la nature de la liaison : Ces sont des enzymes qui reconnaissent et
hydrolyse une liaison précise (ex : peptidase)
Spécificité de groupe : L’enzyme reconnaît un motif précis que l’ont peut retrouver
sur plusieurs substrats (ex : Trypsine, coupe liaison peptidique LYS, ARG et différent
de PRO).
Spécificité absolue : Ces sont des enzymes qui ne reconnaissent qu’un seul substrat
(uréase).
Stéréospécifité : Ces sont des enzymes capables de distinguer 2 isomères optiques et
qui n’agissent que sur une seule forme (alpha, bêta, D-, L-,…).