Cours sur les Enzymes : Structure, Catalyse et Régulation

Les enzymes
Table des matières
1. LA PROTEINE ENZYMATIQUE 3
1.1 Site actif 3
1.2.1 Configuration du site actif 3
1.2.2 Composition du site actif 4
1.2.2.1 - Acides aminés principaux ou dits de "contact" 4
1.2.2.2 - Acides aminés auxiliaires ou "collaborateurs" 4
1.2.2.3 - Acides aminés accessoires 4
1.2.3 L'ajustement induit 5
1.2 Constitution chimique des enzymes 5
1.1.1 Partie protéique des enzymes 5
1.1.2 Partie non protéique des enzymes 5
1.1.2.1 - Cofacteurs vitaminiques 5
1.1.2.2- Cofacteurs ioniques 6
1.1.2.3 - Cofacteurs héminiques 6
1.1.2.4 - Cofacteurs nucléotidiques 6
2- LA CATALYSE ENZYMATIQUE 6
2.1 Caractères généraux 6
2.1.1 Définition de la catalyse 6
2.1.2 Effets de la catalyse 6
2.1.2.1 - Accroissement des vitesses de réaction 7
2.1.2.1.1 – Notion de thermodynamique 7
2.1.2.1.2 - Energie d'activation 7
2.1.2.1.3 - Notions générales de vitesse 8
Réaction irréversible d'ordre 1 ou monomoléculaire 8
Réaction irréversible d'ordre 2 ou bimoléculaire 9
Réaction d'ordre 0 : 9
2.1.2.1.4 - Cas particulier de la vitesse initiale 9
2.1.2.2- Respect des conditions thermodynamiques de la réaction 10
2.1.2.2.1 - Réversibilité des réactions biochimiques 10
2.1.2.2.2 - Réactions biochimiques irréversibles 11
2.2 Cinétique enzymatique 12
2.2.1 Equation de Michaëlis 12
2.2.2 Paramètres moléculaires 14
2.2.2.1 - Constante de Michaelis 14
2.2.2.2 - Vitesse maximale 14
2.2.2.3 - Activité Enzymatique Moléculaire (AEM) 15
2.2.2.4 - Efficacité enzymatique 15
2.2.3 Effets des agents physiques ou chimiques sur la cinétique enzymatique 16
2.2.3.1 – Substrat 16
2.2.3.1.1 - Spécificité enzymatique 16
2.2.3.1.2 - Concentration en substrat 16
2.2.3.2- Température 16
2.2.3.3 - pH 17
2.2.3.4 - Inhibiteurs de l'activité enzymatique 17
1

2.2.3.4.1 - Les inhibiteurs REVERSIBLES 17
Compétitifs 17
Non compétitifs 17
Incompétitifs 17
2.2.3.4.2 - Les inhibiteurs IRREVERSIBLES 17
Agents dénaturants 17
Poisons 17
2.2.4 Le dosage enzymatique 18
2.2.4.1 – Vmax et dosages enzymatiques 18
Principe 18
Les Conditions optimales 18
2.2.4.2 - Dosage massique 18
3- REGULATION DE L'ACTIVITE ENZYMATIQUE 18
3-1 Allostérie 18
3.1.1 Cinétique des enzymes allostériques 19
3.1.2 Nature de la transition allostérique 20
3.1.2.1 - Modèle concerté (Monod, Jacob et Changeux - 1960) 20
3.1.2.2 - Modèle séquentiel (Koshland) 20
3.2 - Allostérie covalente 21
3.3 - Le clivage protéolytique 21
3.4 - Isoenzymes 22
4 - LES ENZYMES DANS L'ORGANISME 22
4.1 Classification des enzymes 22
4.2 Enzymologie clinique 23
4.2.1 Cytolyse 23
4.2.2 Induction enzymatique 23
4.2.3 Enzymopathies congénitales 23
4.3 Organisation intracellulaire des enzymes 23
4.3.1 Complexes multienzymatiques 24
4.3.2 Enzymes multifonctionnels 24
4.3.3 Enzymes immobilisées 24
4.3.4 Métabolons 24
A RETENIR 25
A RETENIR (suite) 26
A RETENIR (suite bis) 27
A RETENIR (suite ter) 28
A RETENIR (suite et fin) 29
QCMs: 30
CORRECTION QCMs: 31
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Nous allons étudier plus précisément dans le cadre de la liaison protéine-ligand l’interaction
entre l’enzyme, qui est une protéine liante, et son ligand que l’on nomme substrat. Dans ce cadre
tous les caractères que nous avons vus précédemment s’applique à ce modèle soit :
- Spécificité
- Saturation
- Inhibition spécifique
- Régulation
- Anomalies congénitales
La liaison enzyme-substrat permet de
transformer le substrat en produit qui conduira
à un effet biologique. Les enzymes sont des
constituants majeurs de l’organisme. En effet,
elles dirigent les réactions métaboliques
(exemple: la glycolyse) qui ont lieu dans tous les
organismes et participent à leur structuration.
De fait de leur importance majeure dans
l’organisme, le moindre dérèglement des
enzymes peut causer de nombreuses
pathologies. C’est pourquoi l’enzymologie
clinique est un élément important des
investigations paracliniques en pathologie.
1. LA PROTEINE ENZYMATIQUE
1.1 Site actif
Le site actif de l'enzyme est la région fonctionnelle de la molécule qui "accueille" le
substrat permettant ainsi sa transformation. Il occupe une part relativement réduite du volume
total d'une enzyme, et se trouve généralement en profondeur et constitue une cavité sorte de
microenvironnement dont le caractère polaire augmente les forces de liaison au substrat. Le
substrat est lié aux enzymes par des forces relativement faibles. Il s'agit le plus souvent de
liaisons hydrogènes qui permettent d'orienter le substrat et jouent un rôle essentiel dans les degrés
de spécificité entre l'enzyme et son substrat.
Caractère polaire: différence de polarité entre les atomes d’une molécule
Liaison hydrogène: liaison non covalente entre un atome d’hydrogène et un atome électronégatif
(δ-)
1.2.1 Configuration du site actif
Le site actif réunit des acides aminés distants les uns des autres sur la séquence
primaire, comme l'indique la disparition de l'activité catalytique par dénaturation. Il se situe à
l'intérieur d'une fissure de la structure tridimensionnelle de l’enzyme et est entourée d’une poche
hydrophobe au fond de la fissure. Là, l'action chaotropique de l'eau est exclue, la polarité des
acides aminés de contact se trouve exacerbée par contraste, et les transferts électroniques
peuvent s'effectuer. En effet l'eau est un solvant bipolaire qui se comporte comme un corps
diélectrique qui diminue le champ électrique dans lequel il se trouve. La présence d'eau dans ce site
diminuerait les forces entre atomes constitutifs des molécules d'enzymes et de substrat, en
contractant des liaisons hydrogènes avec ces deux partenaires. Il se produirait alors une compétition
entre le substrat et l'eau pour occuper le site actif de l'enzyme d’où une fragilité du complexe et une
perte d'efficacité enzymatique.
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Séquence primaire: séquence d’acides aminés d’une protéine avant tout repliement
Hydrophobe: caractère d’une molécule qui repousse l’eau
Chaotropique: molécule qui détruit la structure tertiaire (structure repliée) des macromolécules
comme les protéines
Exemple de la ribonucléase
1.2.2 Composition du site actif
Le site actif présente généralement un site de positionnement qui permet de maintenir et
d'orienter le substrat et un site catalytique qui réalise la catalyse. On distingue trois catégories
d'acides aminés selon leur rôle dans l'activité.
1.2.2.1 - Acides aminés principaux ou dits de "contact"
Ils assurent la liaison temporaire du substrat
au site actif par des liaisons de faible énergie
(ioniques faibles, hydrogène, Van der Waals).
Par leur réactivité, ils participent aux transferts
électroniques de la réaction et certains de leurs
atomes peuvent s'échanger individuellement
avec ceux des substrats. Ce sont des acides
aminés polaires SER, GLU, ASP, LYS, ARG,
HIS, CYS, TYR. Quand s'y ajoutent un ou
plusieurs coenzymes (exemples: ions,
coenzymes nucléotidiques et vitaminiques), on
parle de centre catalytique.
1.2.2.2 - Acides aminés auxiliaires ou "collaborateurs"
Ils créent un environnement favorable à l'action catalytique. Les uns, par une zone polaire de
signe approprié, orientent les substrats, les autres participent à la zone hydrophobe centrale.
1.2.2.3 - Acides aminés accessoires
Ils assurent le maintien de la structure tertiaire stabilisant le site actif et n'interviennent pas
directement dans l'activité. On a pu se demander d'ailleurs "pourquoi les enzymes sont si
grosses"? Il faut se dire que, non seulement la structure tertiaire résulte de contraintes
thermodynamiques imposées par la structure primaire, mais que l'enzyme agit dans un contexte
biologique nécessitant de nombreuses interactions macromoléculaires, dont la nature est
probablement du même ordre que celle des liaisons protéine-ligand.
4

1.2.3 L'ajustement induit
Koshland avait noté que la fixation du substrat amenait une modification de la
conformation du site actif, qu'il comparait à l'adaptation d'un gant à sa main et qu'il appela "induced
fit". Cette notion implique une plasticité de l'enzyme qui laisse entrevoir la transconformation de la
protéine contemporaine de l'action catalytique.
1.2 Constitution chimique des enzymes
Les enzymes sont majoritairement des protéines. Cependant, des substances autres que
les protéines enzymatiques peuvent présenter des activités enzymatiques comme les abzymes et les
ribozymes. On distingue les homoenzymes constituées uniquement d'acide-aminés et les
hétéroenzymes constituées d'une partie protéique nommée apoenzyme associée à une partie non
protéique nommée cofacteur, groupement prosthétique, coenzyme…
Abzyme: anticorps ayant une fonction enzymatique
Ribozyme: ARN ayant une fonction enzymatique
1.1.1 Partie protéique des enzymes
Les enzymes sont majoritairement des protéines. Une enzyme est purifiée, caractérisée,
hydrolysée, dénaturée et cristallisée comme une protéine. On connaît pour de très nombreuses
enzymes le détail des diverses structures protéiques et les gènes ont été identifiés et séquencés.
1.1.2 Partie non protéique des enzymes
Les hétéroenzymes possèdent une partie non protéique appelée de façon générale
coenzyme ou cofacteur qui peuvent être séparés en deux catégories: les groupements
prosthétiques et les cosubstrats. Le caractère indispensable de ces coenzymes a pu faire penser
que là résidait le rôle catalytique de l'enzyme. Mais l'existence d'enzymes de nature purement
protéique, où le site actif est constitué uniquement d'acides aminés, a démontré que c'est bien dans
la structure protéique seule qu'il faut chercher le caractère enzymatique. Les coenzymes sont des
métabolites de faibles poids moléculaire en comparaison aux enzymes et peuvent être sous forme
libre ou liée à l’enzyme. Ces cofacteurs ont des fonctions d'accepteurs et de transporteurs de
radicaux libérés au cours de la catalyse, ils agissent à faible concentration et doivent, comme les
enzymes, être régénérés à la fin d’une réaction ou d’une séquence de réaction.
Certains traitements chimiques peuvent éliminer une partie de certaines enzymes que l’on
nomme au sens large cofacteur. Ils sont majoritairement de nature non protéique.L’apoenzyme
n'a alors plus d'activité catalytique, mais cette activité peut être restaurée lorsqu'on reconstitue
l'hétéroenzyme.
Cofacteur: élément non protéique d’une enzyme nécessaire à son activité
Coenzyme: lorsque le cofacteur est un ion métallique ou une petite molécule organique
Groupement prosthétique: cofacteur lié de façon covalente à l’enzyme
Cosubstrat: cofacteur lié de façon non covalente à l’enzyme, se comportant comme un substrat
1.1.2.1 - Cofacteurs vitaminiques
De nombreuses vitamines justifient ainsi leur impact en biologie, mais doivent être au
préalable transformées en coenzymes (exemples: vitamine B, C, K).
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