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Enzymologie Générale
Structure et Propriétés des
enzymes
I. Généralités
I.1. Définition
Les enzymes sont des biocatalyseurs protéiques
spécifiques qui accélèrent la vitesse des réactions
chimiques se déroulant dans la cellule.
Le pouvoir enzymatique est intimement lié à la
structure tridimensionnelle de la protéine
enzymatique, il est altéré quand cette dernière est
modifiée.
I.2. Propriétés générales des enzymes
Les enzymes ne créent pas la réaction, elles la
favorisent et sont complètement régénérées à la
fin de celle là.
La réaction est en général une rupture de
liaison covalente
Une formation de liaison de covalente
Une association des deux.
 Les enzymes abaissent l’énergie d’activation et
augmentent la concentration des substrats à
l’état activé.
 Les enzymes n’interviennent pas dans
l’équilibre des réactions chimiques réversibles.
Les enzymes agissent à de très faibles
concentrations, d’où la notion d’efficacité
déterminée par l’activité moléculaire spécifique
(AMS). L’activité moléculaire spécifique étant
définie comme le nombre de molécules de
substrats transformées par unité de temps et par
molécule d’enzyme, lorsque cette dernière est le
facteur limitant de la réaction : 103  AMS < 106.
Les enzymes sont spécifiques :
 Spécificité de fonction (6 classes
d’enzymes)
 Spécificité de substrat (glucose oxydase)
 Spécificité optique (série D ou L des
sucres et des AA)
 Spécificité d’organe soit mitochondrie
(aminotransférases du cœur et du foie).
II. Nomenclature des enzymes
II.1. Conceptions anciennes
Rajout du suffixe « ase » au nom de la
substance à transformer
Exemple : urée → ammoniac + CO2 (uréase).
Rajout du suffixe « ase » au type de réaction
catalysée par l’enzyme.
Exemple : Urée + H2O → ammoniac + CO2
(hydrolase)
Noms communs consacrées par l’usage
Exemple : pepsine, trypsine…
II.1. Conceptions actuelles : Numéro d’ordre
Ensemble de 4 chiffres séparés par des points
(UIB).
Exemple : 1.1.1.1 = alcool déshydrogénase.
la classe de l’enzyme. Le deuxième désigne la
sous-classe de l’enzyme, c'est-à-dire le type de
fonction du substrat participant à la réaction. Le
troisième chiffre désigne la sous-sous-classe,
donc la nature de l’accepteur. Le quatrième
chiffre indique la place de l’enzyme particulière
à nommer dans la sous-sous-classe.
Il existe 6 classes principales d’enzymes :
classe des oxydo-réductases
classe des transférases
classe des hydrolases
classes des lyases
classe des isomérases
classe des ligases.
Nom systématique
Le nom systématique fait référence à trois
éléments :
La nature du donneur
La nature de l’accepteur
Le type de réaction catalysée.
Nom commun recommandé
C’est une appellation consacrée par l’usage,
comme dans le cas des conceptions anciennes.
 Exemple : Phosphorylation du glucose
 a-D-glucose + ATP → a-D-glucose-6-P + ADP
C’est une réaction de transfert d’un acide
phosphorique de l’ATP sur le carbone 6 de l’a-D-Gl
Numéro d’ordre = 2.7.1.1
Nom systématique = ATP a-D-glucose 6Phosphate transférase
Nom recommandé = Glucokinase.
III. Les grandes fonctions enzymatiques
III.1. Les réactions d’oxydo-réduction
Transferts d’électrons accompagnés ou non d’un
transfert de protons, depuis un corps donneur
jusqu’à un corps accepteur.
Exemple : CH3-CH2OH + NAD → CH3-CHO + NADH2
Ethanol
Acétaldéhyde
Les enzymes responsables sont les oxydo-réductases.
III.2. Les réactions de transfert
Voir phosphorylation du glucose. Les enzymes sont
les transférases
III.3. Les réactions d’hydrolyse
Elles sont réversibles et sont catalysées par les
hydrolases.
Exemple : Hydrolyse acétylcholine par cholinestérase.
Acétylcholine
H3-CO-O-CH2-CH2-N+(CH3)3
-H2O
+ H2O
CH3-COOH + OH-CH2-CH2- N+(CH3)3
Acide acétique + Choline
III.4. Réactions catalysées par les lyases
Addition ou retrait de groupements à des
atomes de carbone impliqués dans des liaisons.
Cela aboutit à la création ou à la saturation de
doubles liaisons.
Exemple :
III.5. Réaction d’isomérisation :
Réarrangements intramoléculaires réalisés par
des isomérases. On distingue les sous catégories
suivantes :
Racémases (série L → série D)
Mutases (transfert interne de radical d’un endroit
à un autre d’une même molécule)
Exemple : G-6-P → G-1-P (phospho-gluco-mutase)
Epimérases (Exemple galactose → glucose)
Cis trans-isomérases
Exemple : Acide fumarique → Acide maléique.
III.6. Réactions de synthèse des ligases :
Ce sont des réactions de condensation entre 2
molécules différentes.
Ce couplage nécessite une réaction de
décomposition de l’ATP.
IV. Cinétique des réactions enzymatiques
IV.1. Le Complexe enzyme-substrat (ES)
Complexe indispensable à la transformation du
substrat en produit. Se forme grâce à la
complémentarité d’une partie du substrat et d’une
partie limitée de l’enzyme = site actif.
IV.2. Vitesse réaction en fonction quantité
enzyme
On doit opérer en présence d’un excès de substrat.
Dans ce cas la vitesse est proportionnelle à la
quantité d’enzyme présente.
IV.3. Vitesse de la réaction en fonction de la
concentration en substrat
Le modèle de Michaelis-Menten
La transformation de Lineweaver-Burk.
Equation de Michaelis-Menten
Vmax [S]
V=
Km + [S]
v
Vmax
Vmax/2
[S]
Km
Equation de Lineweaver-Burk
Transformation
d’Eadie-Hofstee
Transformation
de Hanes
Cinétique Enzymatique
I. Influence des effecteurs physiques sur l’activité
enzymatique
I.1. Effet du pH sur l’activité enzymatique
A un pH optimum l’activité enzymatique est
maximale. Cette activité va décroître avant et après
ce pH.
Activité
relative
p
H
I.2. Effet de la température sur l’activité
enzymatique
A l’instar du pH, il existe pour chaque enzyme une
température optimale d’action. L’augmentation de la
température entraîne une chute de l’activité enzymatique
par dénaturation de l’enzyme.
Activité
relative
Tem
(°C)
II. L’inhibition enzymatique
Certains composés agissent sur l’activité enzymatique en la
favorisant (activateurs), ou en la défavorisant (inhibiteurs)
II.1. Effet des inhibiteurs
II.1.1. Inhibiteurs irréversibles
Agissent en bloquant définitivement ou en détruisant le site
actif de l’enzyme
II.1.2. Inhibiteurs réversibles
Conservent plus ou moins intacts les sites actifs des enzymes.
Inhibition Réversible Compétitive (IRC)
Dans ce modèle, l’inhibiteur entre en compétition avec
le substrat pour la fixation sur le site actif de
l’enzyme. Il y a donc une association exclusive de
l’enzyme soit avec le substrat, soit avec l’inhibiteur.
Exemple : Inhibition succinate déshydrogénase par le
malonate.
Succinate = COOH-CH2-CH2-COOH
Malonate = COOH-CH2-COOH
La succinate DH est une enzyme du cycle de l’acide
citrique (cycle de Krebs) qui catalyse l’oxydation du
succinate en fumarate. Le malonate, qui a une
structure similaire à celle du succinate, va entrer en
compétition avec le succinate au niveau du site actif
de la succinate DH provoquant ainsi son inhibition.
Inhibition Réversible Non Compétitive (IRNC)
Dans l’IRNC, l’inhibiteur se fixe sur un site de l’enzyme
différent du site de fixation du substrat ; il s’agit donc
d’une fixation non exclusive. Mais cette fixation de
l’inhibiteur entraîne une modification structurale de
l’enzyme et de son site actif qui ne peut plus
recevoir le substrat.
Au plan expérimental, si l’effet de l’inhibition
réversible est levé par l’addition de substrat, il
s’agit d’une inhibition réversible compétitive.
Sinon,
c’est
une
inhibition
réversible
compétitive.
-Inhibition incompétitive
(variation simultanée de Km et Vmax)
-Inhibition par excès de substrat
non
II.2. Effet des activateurs
Ils ont pour effet d’accélérer la vitesse des
réactions enzymatiques. Ce sont en général de
petites
molécules
telles
que
des
cations
métalliques qui s’associent à l’enzyme ou au
complexe ES.
III. Structure-Mécanisme d’action-Régulation des
enzymes
III.1. Site actif
Aussi centre catalytique, représente partie
relativement limitée de l’enzyme. Constitué
de groupements fonctionnels qui ne sont pas
voisins en structure primaire, mais qui se
rapprochent du fait de l’évolution en structure
secondaire et tertiaire.
Plusieurs méthodes permettent d’identifier le
site actif, parmi lesquelles le marquage
chimique. Les marqueurs chimiques vont se
lier à des groupements complémentaires du
site actif provoquant simultanément leur
inactivation.
 Le diisopropylfluorophosphate (DIFP), marqueur
chimique pour la sérine
 L’iodacétamide permet le marquage de la cystéine
 L’acétylation permet le marquage groupes NH2
 L’estérification permet marquage COOH.
III.2. Relation entre structure spatiale et fonction
catalytique des enzymes
En dehors des acides aminés du site actif qui ont un rôle de
fixation,
d’orientation
catégories
d’acides
et
d’activation,
aminés
il
appartenant
existe
d’autres
à
protéine
la
enzymatique. Ce sont :
- Les acides aminés collaborateurs : Ils ne participent pas
directement à l’activité catalytique, mais leur disparition
fragilise l’enzyme.
-Les acides aminés auxiliaires : Ils assurent la mobilité de
l’enzyme et participent à la fixation du substrat et à l’expulsion
du produit.
-Les acides aminés non collaborateurs : Leur rôle n’est pas
clairement défini et leur destruction est sans effet apparent sur
l’activité catalytique.
III.3. Régulation de l’activité enzymatique
III.3.1. Systèmes multienzymatiques
Les enzymes cellulaires ne travaillent pas de façon
isolée. En général, le produit de l’action d’une
enzyme devient le substrat d’une autre enzyme.
E1
E2
E3
E4
A → B → C → D → Produit final
Les différentes transformations que subit le substrat
A pour donner B, C, D et le produit final, constituent
la chaîne séquentielle.
III.3.2. Enzymes de la glycolyse
Entités
moléculaires
distinctes
mais
agissent
successivement les unes après les autres.
III.3.3. Acide gras synthase
Complexe multienzymatique difficilement dissociable.
Enzymes prises isolément, deviennent inactives.
III.3.4. Enzymes CRM
Enzymes oxydatives liées toutes à la membrane
interne mitochondriale.
III.4. Enzymes allostériques
III.4.1. Propriétés générales des enzymes allostériques
Plus volumineuses et plus fragiles que les
enzymes michaéliennes
Constituées d’un petit nombre pair de sous-unités
(oligomères)
Enzymes inactives à O°C et retrouvent leur
fonctionnement optimal à +20°C.
 Possèdent deux sites fonctionnels :
o Un site actif
o Un site allostérique. La fixation de l’effecteur sur
ce site entraîne une modification de la structure
tridimensionnelle de l’enzyme encore appelée
transition allostérique. Cette transition va se
répercuter sur le site catalytique provoquant des
modifications de l’activité de l’enzyme.
III.4.2. Cinétique des enzymes allostériques
Contrairement
à
la
cinétique
michaélienne
(hyperbolique), la cinétique allostérique présente
une allure sigmoïdale.
III.4.3. Phénomène de désensibilisation
Ce
phénomène
survient
après
action
physique,
chimique ou mutation génétique. Il se traduit par une
perte de l’effet coopératif et une insensibilité aux
modulateurs. Il y aura cependant conservation de
l’activité catalytique et la courbe devient michaélienne.
IV. Les coenzymes
A l’instar des autres protéines, on distingue les
holoenzymes
uniquement
constituées
d’acides
aminés et les hétéroenzymes constituées d’une partie
protéine dénommée apoenzyme et d’une partie on
protéique. La partie non protéique est appelée
cofacteur s’il s’agit d’un ion métallique ; on parlera de
coenzyme si la partie non protéique est une molécule
organique.
L’enzyme peut être liée à la coenzyme par covalence,
dans ce cas la coenzyme porte le nom de groupement
prosthétique, sinon il prend le nom de cosubstrat.
Les coenzymes participent aux réactions catalysées
par les enzymes et sont régénérées à la fin de la
réaction. Elles ne sont pas spécifiques et peuvent
intervenir dans plusieurs réactions. Elles sont le plus
souvent de nature vitaminique et sont apportées par
les aliments. Elles comportent le plus souvent un
noyau cyclique ou hétérocyclique.
Les coenzyme comme les pyridines nucléotides ou les
flavines interviennent dans les réactions d’oxydoréduction (exemple : NAD+, NADP+, FAD, FMN…)
D’autres comme le phosphate de pyridoxal (PAL), le
pyrophosphate de thiamine (TPP) ou la coenzyme A,
sont associées à des enzymes de transfert de groupes.
V. Les isoenzymes
Encore appelées isozymes. Formes moléculaires
multiples d’une même enzyme. Actives sur le même
substrat principal mais peuvent s’identifier grâce à
leurs caractéristiques physicochimiques :
-Différence de charge
-Différence de pH optimum d’action
-Différence de thermostabilité
-Différence d’action sur substrats secondaires
-Différence d’inhibiteurs chimiques (urée, EDTA…).
L’une des propriétés les plus intéressantes des
coenzymes est leur possibilité de s’hybrider, grâce à
leur nature oligomérique avec deux ou quatre sousunités.
Exemple : La lacticodéshydrogénase (LDH)
Cette enzyme favorise la transformation réversible du
pyruvate en lactate. Elle est formée de 4 sous-unités
de même poids moléculaire. Ces sous-unités sont de 2
types :
-le type M, prédominant dans le muscle
-le type H, prédominant dans le cœur.
L’hybridation de ces sous-unités conduit donc à …
Isoenzymes qui sont : ………………………
Ces isoenzymes comportent .. tétramères purs
………… et …… hybrides …………
Le type M et le type H ayant des charges électriques
différentes, ces isoenzymes peuvent être facilement
séparées par …………… à pH neutre ou alcalin. Le
type H possédant plus de charges négatives se
déplacera rapidement vers ………, tandisque l’iso M4
restera au point de dépôt.
Intérêt en pathologie : C’est surtout en cardiologie que l’étude
des variations des isoenzymes de la LDH a trouvé son principal
point d’application. En effet l’augmentation des LDH totales
signe une souffrance cellulaire mais ne permet pas d’incriminer
un organe donné. L’augmentation des isoenzymes LDH1 et
LDH2 permet de confirmer une nécrose dune partie du muscle
cardiaque (infarctus du myocarde).
Les isoenzymes de la créatine kinase (CK) sont
également très utile dans le diagnostic de l’IM. Cette
enzyme est constituée de 2 protomères ; le type M
prédominant dans le muscle et le type B dans le
cerveau. Ce dimère donne de … formes
d’isoenzymes :
-la CK… ou CK1 dans le cerveau
-la CK-…. ou CK2 qui est une forme hybride
-la CK-…. ou CK3 dans le muscle
Ces différentes formes sont séparables par
électrophorèse sur gel d’agarose.
Dans l’infarctus du myocarde, l’activité globale de la
CK est augmentée dans 95 % des cas et celle de la
CK2 dans 100 % des cas.
On distingue une autre forme isozymique, la CKm à
localisation mitochondriale et dont les protomères sont
différents des types M et B.
VI. Les macroenzymes
Les macroenzymes sont de nature très diverse et
peuvent résulter :
association d’enzymes et d’IG
formes enzymatiques autoagrégées
Association enzymes avec lipoprotéines
de fragments de membranes circulantes possédant
des activités multienzymatiques
Ces formes inhabituelles d’enzymes doivent être
reconnues car pouvant être sources d’erreurs
diagnostiques. Les plus couramment décrites sont les
macroamylases et les macrocréatines kinases.
V.1. Les macroamylases
Deux types de macroamylases peuvent être
distingués :
association d’une molécule d’amylase avec une
immunoglobuline (IgA ou IgG)
plus rarement association avec des glycoprotéines
ou des polysaccharides
Leur masse moléculaire élevée pourrait simuler une
affection pancréatique.
V.2. Les macrocréatine kinases
V.2.1. Les macro CK type 1
Résultent des associations suivantes :
-CK1 + IgG
-CK1 + IgA
-CK1 + IgM
Ces macro CK de type 1, apparemment sans valeur
pathologique, peuvent simuler une augmentation de la
CK2 en l’absence de nécrose myocardique (faux
positif).
V.2.2. Les macro CK type 2
Ce sont des complexes oligomériques de CKm dont la
présence semble être de mauvais pronostic et
s’observe dans les infarctus massifs.