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ENZYMOLOGIE GENERALE
1-Définitions
-Définitions
-Propriétés particulières des catalyseurs
-Nomenclature et classification
-Effet du pH
-Effet de la température
Pr Miloud SLIMANI
Département de Biologie
Faculté des Sciences
Université de Saida (Algérie)
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- Définitions :
-Les organismes vivants sont le siège d’un grand nombre de réactions biochimiques
diverses
-Chez tous les organismes vivants, les réactions chimiques du métabolisme sont
catalysées par des molécules de nature protéique que l’on appelle enzymes .
-Une enzyme donnée est spécifique d’une réaction, c’est-à-dire qu’elle catalyse
toujours la même transformation, se produisant sur les mêmes corps chimiques
initiaux.
Macromolécule de nature protéique
-produite par les cellules
-qui assure la fonction de catalyseur biologique
-spécifique de réactions chimiques très variées
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Propriétés particulières des catalyseurs
-Catalyseurs biologiques très puissants , diffèrent des catalyseurs chimiques par
leurs propriétés: Leur taux de réaction est plus élevé. Les enzymes ont un pouvoir
catalytique de 106 à 10 12fois supérieur aux réactions non catalysées, et de
plusieurs ordres de grandeur supérieur aux réactions catalysées par des réactifs
chimiques .Une molécule de catalase peut hydrolyser 5 millions de molécules
d’H2O2 en une min dans des conditions de pH et de température physiologiques
-Elles augmentent la vitesse des réactions chimiques, sans en modifier l’équilibre
Les réactions enzymatiques se déroulent dans des conditions physiologiques
(pH:7,4 et température :37°C).
Les enzymes abaissent l’énergie
d’activation
Déroulement de la réaction
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- Les réactions enzymatiques sont très spécifiques, à la fois pour le substrat et pour
le type de réaction.
Spécificité de substrat :
Elle est liée à la structure tridimensionnelle de la molécule de substrat
Spécificité de réaction :
Pour un substrat donné, une enzyme donnée ne catalyse qu’une seule réaction sur l’ensemble
de celle qui est possible.
Spécificité de fonction :
Elles agissent sur un substrat possédant la même fonction chimique (l’alcool déshydrogénase
catalyse la déshydrogénation de l’éthanol mais aussi d’autres alcools). La spécificité
enzymatique est due à un complément moléculaire entre le substrat et une région particulière
de l’enzyme appelé, le centre actif
Ne sont pas consommées au cours de la réaction: comme les catalyseurs chimiques,
elles se retrouvent intactes à la fin de la réaction :la structure de l’enzyme se
retrouve inchangée.
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Modulabilité:
L’activité d’une enzyme est contrôlée par des modulateurs :
Les activateurs augmentent l’activité.
Les inhibiteurs la diminuent.
Cette modularité permet d’ajuster la vitesse globale d’un métabolisme au besoin
cellulaire
Exemple : La phosphofructokinase est activée par l’AMP et inhibée par l’ATP.
Cette modulation active ou inhibe la glycolyse selon que la charge énergétique est
faible ou élevée.
Substrat (S): est la molécule qui entre dans une réaction pour y être
transformée grâce à l’action catalytique d’une enzyme.
Produit (P) :la nouvelle molécule qui apparaît au cours d’une réaction catalysée
par une enzyme est appelée produit.
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Il existe quatre types d’enzymes possibles :
_ Protéine enzymatique seule.
_ Apoenzyme + coenzyme.
_ Apoenzyme + ion.
_ Apoenzyme + coenzyme + ion.
Apoenzyme + Coenzyme = Holoenzyme
Le terme holoenzyme :est l'assemblage du cofacteur (qui peut être un ion
métallique, ou une molécule organique) et d'une ou plusieurs chaînes protéiques,
formant ainsi une enzyme complète et active. L'holoenzyme est donc le complexe
enzymatique catalytiquement activé par ses cofacteurs. La partie protéique de
l'enzyme est alors nommée apoenzyme et la partie non protéique coenzyme .
Lorsque la partie non protéique est un ion métallique (oligo-élément) , le complexe
est alors nommé métalloprotéine.
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Co-facteurs:
Corps chimique intervenant dans une réaction enzymatique :
- pour transporter ou compléter un substrat ;
- pour accepter un produit ;
- comme participant à la structure de l’enzyme.
Plusieurs enzymes ont besoin de co-facteurs pour agir.
Co facteur métallique être des ions (Fe2+, Mg2+, Zn2+ de l’anhydrase
carbonique., etc) qui sont indispensable à l’activité enzymatique :
_ Soit parce qu’il est responsable de la stabilité de la structure tertiaire de
l’apoenzyme.
_ Soit parce qu’il intervient dans la fixation du substrat.
_ Soit parce qu’il participe directement à la catalyse.
Enzyme Anydrase carbonique , la présence d’une atome de Zn est indispensable
à son activité
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Certains cofacteurs sont des molécules plus complexes synthétisées par les
cellules : nous les appellerons coenzymes.
Les coenzymes sont des molécules organiques qui sont cofacteurs de
certaines protéines enzymatiques avec lesquelles ils forment souvent
un complexe stable. La protéine seule est appelée apoenzyme, associée à son ou
à ses coenzymes, on parle d'holoenzyme. En général, seule l'holoenzyme est
catalytiquement fonctionnelle. Les coenzymes sont en général impliqués
directement dans la catalyse, par exemple au travers de réactions de transfert
d'électron, de proton, de groupements fonctionnels ou encore sont impliqués
dans le transport du substrat entre sites actifs.
Il y a deux familles de coenzymes :
- ceux qui ne sont que transitoirement liés à l’enzyme et que l’on
considère alors comme des co-substrats,
- ceux que l’on nomme groupes prosthétiques et qui sont liés de façon
covalente à la protéine.
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Cofacteurs:
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Principe général :
Comme pour toute protéine, un mécanisme enzymatique commence par
la fixation d’un substrat (ligand) par des liaisons faibles sur une zone
particulière de l’enzyme, dite site de fixation.
• A ce site, le substrat est transformé en produit, puis celui-ci est libéré.
Le site de fixation du substrat est dit site actif.
Ligand :Corps chimique ayant une liaison spécifique avec une enzyme
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Fixation d’un ligand
• La fixation du ligand s’effectue par des interactions faibles
entre les fonctions portées par celui-ci et des restes
d’aminoacides ou des cofacteurs.
Le substrat est immobilisé dans son site de fixation : il y a donc un
minimum de 3 groupes
• Cette fixation implique que le site de fixation aie, en creux, une
forme voisine de celle du substrat.
Lorsque celui-ci se fixe, l’ajustement induit lui permet d’acquérir
exactement sa forme.
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Le site actif d’une enzyme est la région tridimentionnelle qui se lie au substrat ,
une petite zone privilégiée de la protéine enzymatique dont la géométrie a une
importance considérable sur la spécificité, il est situé dans une zone hydrophobe
dans la partie interne de la structure. Il assure deux fonctions :
-fixation du substrat ( site de fixation , de reconnaissance) est constitué de
certains Acides aminés qui sont associés avec l’orientation du substrat , et donc,
avec la spécificité de l’enzyme ,responsable de la stéréospécificité.
-transformation du substrat ( site catalytique ) est constitué des résidus qui sont
directement impliqués dans la formation et rupture des liens chimiques. Ces
résidus sont souvent localisés dans le fond de la cavité, et dans la majorité des
cas, possèdent des chaînes latérales ioniques ou réactives (ex. His, Lys, Cys, Ser,
Asp, Glu).
-Les autres AA sont qualifiés d'auxiliaires, de collaborateurs ou de non
collaborateurs selon leur degrés d'intervention dans l'acte catalytique
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Deux modèles pour expliquer la spécificité des enzymes:
La complémentarité stérique entre l’enzyme et son substrat est a l’origine de
cette spécificité et que les enzymes et les substrats se reconnaissent comme
une clé s’adapte dans une serrure
Forme induite: l’enzyme change sa conformation lors de la liaison du substrat
Ajustement induit ---------dynamique
-lors de la fixation de substrat, l’enzyme change de conformation
Suppose que l’enzyme a une structure flexible
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Nomenclature
Les enzymes sont classifiés selon la réaction qu'ils catalysent. Ils sont désignés
par un nom commun (carboxypeptidase A), un nom systématique (peptidyl-Lamino acide hydrolase) et un numéro de classification (EC « Enzyme Commission
Numérotation conventionnelle:
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Les six classes d'enzymes:
1: Les oxydoréductases, qui catalysent des transferts d'électrons;
2: Les transférases, qui catalysent les transferts de groupements;
3: Les hydrolases, qui catalysent des réactions d'hydrolyse;
4: Les lyases, qui catalysent l'addition de groupes a des liens doubles ou l'inverse;
5: Les isomérases, qui catalysent le transfert de groupes dans une même molécule
pour produire des formes isomères (la conversion d'un acide amine L en acide
amine D' par exemple);
6: Les ligases, qui forment des liens C-C, C-S, C-O et C-N lors de réactions de
condensation couplées a l'utilisation d'ATP.
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EC 1 : oxydo –réductases :
les oxydo-réductases sont des enzymes catalysant les réactions d‘oxydoréduction en transférant les ions H+ et des électrons.Elles sont associées à
des coenzymes d'oxydoréduction (NAD, FAD, FMN...). Une enzyme
catalysant une réaction du type :
A– + B → A + B–
est par exemple une oxydoréductase. Dans cet exemple, A est le réducteur
(donneur d'électron) et B l'oxydant (accepteur d'électron).
Les oxydoréductases sont classées EC 1 dans la nomenclature EC des
enzymes. Les oxydoréductases peuvent être ensuite divisées en sousclasses :
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•EC 1.1:les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs
CH-OH (alcool oxydoréductase) :donneur d’hydrogène
1.1.1avec le NAD +ou le NADP + comme accepteur d’hydrogène
exemples : EC 1.1.1.67 Mannitol : NAD oxydoréductase = Mannitol DH
Mannitol + NAD -------- Fructose + NADH
1.1.2avec un cytochrome comme accepteur
exemples : EC 1.1.2.3 L - Lactate : ferricytochrome c oxydoréductase = Lactate DH
Lactate + 2 Cyt c Fe3+ ------- Pyruvate + 2 Cyt c Fe2+
1.1.3avec O2 comme accepteur d’hydrogéne
exemples : glucose oxydase ou B-D-glucose :oxygéne –oxydoréductase(1.1.3.4)
•EC 1.2 :les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs aldéhyde
ou cétone
•1-2-1 : avec le NAD + ou le NADP + comme accepteur
•Exemples D-glycéraldéhyde -3- phosphate : NAD –oxydoréductase (1.2.1.12)
•1-2-3 : avec O2 comme accepteur
•Exemples Xanthine : oxygène oxydoréductase (1.2.3.2)
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•EC 1.3 :les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs
CH-CH (CH-CH oxydoréductases)
-1-3-1 avec le NAD + ou le NADP +comme accepteur
Exemples 4,5 dihydro-uracile : NAD oxydoréductase (1.3.1.1.1)
-1-3-2 avec le un cytochrome accepteur
-1-3-3 avec O2 comme accepteur
Exemples 4,5 dihydro-orotate : oxygène oxydoréductase (1.3.1.1.1)
•EC 1.4 :les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs
CH-NH2 (acide aminé oxydoréductases , monoamine oxydase)
-1-4-1 avec le NAD + ou le NADP + comme accepteur
Exemples L-glutamate :NAD oxydoréductase (1.4.1.2)
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EC 2 :Transférases
une transférase est une enzyme dont le rôle est de catalyser le transfert
d'un groupe fonctionnel (par un exemple un groupe éthyle ou phosphate)
d'une molécule (appelée donneur) à une autre (appelée accepteur). Par
exemple, une enzyme catalysant la réaction suivante sera une
transférase:
A–X + B → A + B–X
Dans cet exemple, A est le donneur et B l'accepteur. Il est courant que le
donneur soit un coenzyme.
Les transférases sont classées EC 2 dans la nomenclature EC. Elles
peuvent ensuite être classées dans neuf sous-classes :
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•EC 2.1 qui regroupe les enzymes transférant un groupe à un carbone
(méthyltransférase) (exemples :S-adénosyl-méthionine- :L-homocyctéine Sméthyl transférase (2.1.1.10)
•EC 2.2 qui regroupe les enzymes transférant un groupe carbonyle (aldéhyde ou
cétone)
•EC 2.3 qui regroupe les acyltransférases
EC 2.4 qui regroupe les glycosyltransférases
EC 2.6 qui regroupe les enzymes transférant un groupe azoté
(transaminase)
EC 2.7 qui regroupe les enzymes transférant un groupe phosphoré
(phosphotransférase, mais aussi polymérase et kinase)
EC 2.8 qui regroupe les enzymes transférant un groupe sulfuré
(sulfurtransférase et sulfotransférase
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EC 3 Les hydrolases :
Exemples lipase ou glycérol-ester hydrolase(3.1.1.3)
constituent une classe d'enzymes qui catalysent les réactions d'hydrolyse de
molécules suivant la réaction générale :
R-R' + H2O ⇌ R-OH + R'-H
EC3.1 (estérases) qui hydrolysent les esters (R-CO-O~R'),
-EC 3.1.1 : Hydrolases spécifiques des esters carboxyliques
-EC 3.1.2 : Hydrolases spécifiques des thioesters
-EC 3.1.3 : Hydrolases spécifiques des liaisons monoester-phosphoriques
•EC3.2 (glycosylases) qui hydrolysent les oligo- ou polysaccharides (sucre1O~sucre2),
EC 3.2.1 : Glycosidases (enzymes agissant sur autant sur les liaisons O-glycosidiques
que sur les liaisons S-glycosidiques)
EC 3.2.2 : Hydrolases spécifiques des liaisons N-glycosidiques
EC3.4 (peptidases), qui hydrolysent les liaisons peptidique (AA1-CO~NH-AA2)
EC 3.4.11 : Aminopeptidases
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EC 4 lyases :
une lyase est une enzyme qui catalyse la rupture de différentes liaisons chimiques
par des moyens autres que l'hydrolyse ou l'oxydation, formant ainsi souvent une
nouvelle liaison double ou un nouveau cycle.
Les lyases diffèrent des autres enzymes, en ce sens qu'elles ne nécessitent qu'un
réactif dans le sens direct de la réaction, mais deux dans le sens inverse:
Réaction: A ↔ B + C
Les lyases sont classées EC 4 dans la nomenclature EC de classification des
enzymes. catalysent la rupture des liaisons C-C, C-N,
C-O, C-S. Les lyases peuvent être ensuite classée dans sept différentes souscatégories :
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•EC 4.1 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbonecarbone: les décarboxylases (EC 4.1.1), les aldolases (EC 4.1.2), oxacide
lyases (EC 4.1.3)
• EC 4.2 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carboneoxygène; comme les déhydratases
•EC 4.3 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbone-azote,
comme la phénylalanine ammonia-lyase
EC 4.4 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbone-soufre
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EC 5 isomérases :
est une enzyme qui catalyse les changements au sein d'une molécule, souvent
par réarrangement des groupements fonctionnels et conversion de la molécule
en l'un de ses isomères . Ces isomérases comprennent des racémases qui
catalysent la transformation d’une forme D en forme L.
•Les isomérases catalysent des réactions du type :
•A → B où B est un isomère de A
Les isomérases sont regroupées dans la classe EC 5 dans la nomenclature EC.
Elles sont ensuite réparties dans six sous-classes :
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•EC 5.1 qui regroupe les enzymes qui catalysent des réactions de racémisation
(racémases et d'épimerisation (épimérases)
•EC 5.2 qui regroupe les enzymes qui catalysent les réactions d'isomérisation
cis-trans (cis-trans isomérases)
•EC 5.3 qui regroupe les oxydo-réductases intramoléculaires
EC 5.4 qui regroupe les transférases intramoléculaire (mutases
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EC 6 ligases:
est une enzyme qui catalyse la jonction de deux molécules par de nouvelles
liaisons covalentes avec hydrolyse concomitante de l'ATP ou d'autres molécules
similaires.
Les ligases sont classées EC 6 dans la nomenclature EC des enzymes. Cette classe
peut ensuite être divisée en six sous-classes :
•EC 6.1 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-oxygène
•EC 6.2 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-soufre
•EC 6.3 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-azote
•EC 6.4 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-carbone
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Effet du pH
Les enzymes sont des protéines constituées d’acides aminés pouvant porter des
fonctions chimiques sensibles aux variations de pH. Ces fonctions chimiques
peuvent se protonner ou se déprotonner selon le pH du milieu dans lequel se
trouve l’enzyme. Les enzymes auront par conséquent des pH optimaux
différents, selon leur structure et la nature de leur site actif. La pepsine a un
pH optimal de 1,5, approprie pour un enzyme gastrique; la trypsine
intestinale a plutôt un pH optimal de 7,7.
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Effet de la température
-Une augmentation de la température:
- augmente la vitesse de la réaction chimique
-augmente la vitesse de dénaturation de l’enzyme (une protéine), diminuant
ainsi son activité catalytique
-A températures élevées, fluctuations importantes de la structure 3D de la
protéine avec perte de structure tertiaire : dénaturation thermique, souvent
irréversible.
La somme de ces deux effets donne une courbe caractéristique
de l’activité enzymatique température qui passe par un maximum, montrant
ainsi l'existence d'une température optimale.
Activation
Dénaturation
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Références
-ANTONIOTTI .S, cours de biocatalyse ,2007
-BECKER H ; Eléments de biochimie : Notions d’enzymologie ,[email protected]
-BENDAVID .C,2009, Enzymes et coenzymes
-CHIBRAOUI Layachi et KABBACH Wafae, Enzymologie, 2011-2012
-COLLAS .Ph : Enzymologie théorique
-CORNISH-BOWDEN .A , JAMIN.M et SAKS.V , cinétique enzymatique
,2005DELAHAYE .A, Enzymologie, http://www.arnobio2.com
-KEILLOR.J.W, Inhibitions des réactions enzymatiques ,2004
-PAPY –GARCIA.D et GARRIGUE ANTAR.L , Cinétique enzymatique
-RAISONNIER .A, 2002,Enzymologie élémentaire
-TOUSSAINT B., Les enzymes,2011
-WEINMAN .S et MEHUL.P , Toute la biochimie, ed. Dunod, Paris, 2004
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