Les enzymes, des protéines actives dans la réalisation
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(2 semaines) Les enzymes, des protéines actives dans la réalisation du phénotype Introduction : La pigmentation de la peau (pages 18 et 19) est due à la quantité de mélanine contenue dans la peau. La mélanine est synthétisée dans les mélanocytes à partir de tyrosine et sous l'action successive d'enzymes dont la tyrosinase. Un enzyme est une substance qui accélère une réaction chimique, et qui se retrouve intacte à la fin de cette dernière. gène1 gène2 gène3 enzyme1 enzyme2 enzyme3 tyrosine molécule1 molécule2 mélanine enzyme Soit la relation suivante : substrat produit Une ou plusieurs protéines déterminent donc la réalisation du phénotype macroscopique. Comment agissent les enzymes dans l'élaboration du phénotype ? 1 Le mode d'action des enzymes. 1.1 Les facteurs du milieu peuvent modifier l'activité enzymatique. TP1 : L'activité d'une enzyme, l'amylase. 1.1.1 L'action de la température. Lorsque la température augmente, l'agitation moléculaire augmente, ce qui augmente les chances pour les molécules d'enzymes de rencontrer les molécules de substrat. La vitesse de réaction enzymatique augmente ainsi fortement. À l'inverse, lorsque la température diminue, l'enzyme est inactivée, la réaction chimique n'est pas catalysée car il n'y a pas de rencontre entre l'enzyme et son substrat. Mais une très forte augmentation de température provoque une dénaturation de l'enzyme. En dehors du cas des enzymes de certaines bactéries qui sont actives à des températures extrêmes (sources hydrothermales), la température optimale de la réaction chimique est proche de 40 °C. C'est pour une valeur donnée de la température, dite température optimale, que chaque enzyme présente son activité maximale. 1.1.2 L'action du pH. L'activité de l'enzyme dépend de valeurs limites de pH précises. C'est pour une valeur donnée du pH optimal, que chaque enzyme présente son activité maximale. 1 1.2 L'activité enzymatique dépend de la structure spatiale des enzymes. 1.2.1 La structure spatiale des enzymes dépend de la séquence des acides aminés. Question 3 et 4 page 33 La liaison entre l'enzyme et le substrat est réalisée au niveau d'un creux formant le site actif de l'enzyme. Si la séquence d'acides aminés de l'enzyme est modifiée, notamment au niveau du site actif, alors sa configuration spatiale change, ce qui conduit à une modulation ou à une inactivation de l'enzyme. 1.2.2 La structure spatiale des enzymes dépend des conditions du milieu. Une variation de pH modifie les charges portées par les acides aminés constituant l'enzyme, ainsi, des liaisons hydrogène ou des ponts disulfure entre des acides aminés voisins dans la molécule peuvent être rompus de manière définitive ou non. Cela modifie la configuration spatiale de l'enzyme, donc la complémentarité de l'enzyme avec le substrat est perdue, ce qui provoque une perte de la spécificité de l'enzyme. 1.3 La formation d'un complexe enzyme-substrat. TP2 : Vitesse de réaction enzymatique et concentration en substrat. Lorsque la concentration en substrat augmente (document 4 page 27), la vitesse de la réaction enzymatique augmente aussi. Elle se stabilise alors à un niveau constant correspondant à la vitesse maximale. Cela prouve en effet la formation d'un complexe enzyme-substrat. En , il y a peu d'association ES (complexe enzymesubstrat). La vitesse de réaction est faible, peu de produits sont formés. En , la concentration en substrat augmente, il y a donc beaucoup d'associations ES (complexe enzyme-substrat). La vitesse de la réaction est plus élevée, la quantité de produits formés augmente. En , le plateau de saturation s'explique par le fait que le site actif de tous les enzymes est occupé par le substrat. On dit que l'enzyme est saturée. L'équation générale d'une réaction catalysée par une enzyme est donc : Enzyme + Substrat (E) Complexe enzyme-substrat (S) (ES) Enzyme + Produit (E) (P) 1.4 Conclusion. Les modalités d'action des enzymes reposent sur la formation du complexe enzyme-substrat. Les propriétés des enzymes dépendent de leur structure spatiale. Des modifications de structure spatiale, déterminées soit par des changements de la séquence des acides aminés, soit par des conditions du milieu (pH, température, ions...), modifient leur activité. 2 Les enzymes : catalyseurs biologiques à double spécificité. 2.1 Spécificité du substrat. 2.1.1 L'amylase salivaire. Elle n'agit ni sur le saccharose ni sur le fructose mais uniquement sur l'amidon. (C6H10O5)n amidon (S) + n/2 H2O eau n/2 C12H22O11 amylase maltose (P) salivaire (E) 2 Le composé chimique transformé par l'enzyme (E) est appelé substrat (S). La substance obtenue à l'issue de la réaction est appelée produit (P). Dans ce premier exemple, l'amidon est le substrat et le maltose est le produit. 2.1.2 La peroxydase. Bien que H2O2 ait une structure proche de celle de H2O, la peroxydase décompose uniquement H2O2. 2H2O2 2H2O (S) (E) (P) + O2 (P) Dans cet exemple, H2O2 est le substrat, H2O et O2 sont les produits. 2.2 Spécificité d'action. 2.2.1 L'action des enzymes sur l'amidon. (C6H10O5)n + n/2 H2O n/2 C12H22O11 amylase (C6H10O5)n + C6H12O6 (C6H10O5)n+1 + H2O amidon synthétase L'hydrolyse de l'amidon est la rupture de la molécule d'amidon en présence de molécules d'eau. La synthèse de l'amidon est catalysée par l'amidon synthétase alors que son hydrolyse est catalysée par l'amylase : c'est la spécificité d'action. Ainsi, des enzymes différentes peuvent agir sur un même substrat, mais chaque enzyme est spécifique d'une réaction donnée. 2.2.2 Les enzymes sont des biocatalyseurs performants. Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs synthétisés par des cellules vivantes, elles sont donc appelées biocatalyseurs et sont spécifiques d'un substrat. Chaque enzyme catalyse spécifiquement un type de réaction du métabolisme. Par cette double spécificité, de très nombreuses réactions biochimiques se déroulent à tout instant dans chaque cellule. Lorsque les conditions du milieu sont favorables, l'enzyme peut agir sur 10 000 molécules de substrat par seconde. On dit que c'est un biocatalyseur très performant. 2.3 La fonction de l'enzyme dépend de sa structure spatiale. La complémentarité de forme entre substrat et enzyme, et l'affinité chimique qui les lie explique la double spécificité présentée par les enzymes. Dans le site actif se trouvent : un ensemble d'acides aminés constituant le site de reconnaissance du substrat. Ce sont eux qui vont déterminer la spécificité du substrat, – un ensemble d'acides aminés constituant le site catalytique. Ce sont eux qui vont déterminer la spécificité d'action de l'enzyme. – 2.4 Conclusion. Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs biologiques. Elles présentent une double spécificité : spécificité d'action et de substrat. 3 3 Les enzymes déterminent le phénotype. Dans les cellules d'un être vivant les enzymes agissent sur un substrat spécifique, c'est ce qui détermine la réalisation du phénotype. 3.1 Le phénotype macroscopique. Les levures sont capables d'hydrolyser le saccharose et de l'assimiler. On dit qu'elles sont [sac+]. Une enzyme, la saccharase, confère aux levures [sac+] l'aptitude à hydrolyser le saccharose, donc à se développer dans un milieu contenant du saccharose. Le phénotype macroscopique est déterminé par au moins une enzyme. Si cette enzyme n'est pas fonctionnelle, la catalyse ne peut pas avoir lieu et le phénotype dépendant de cette réaction chimique n'est pas réalisé. Cette levure a donc le phénotype [sac-]. 3.2 Le rôle des enzymes dans la réalisation du phénotype moléculaire. Les enzymes catalysent toutes les réactions chimiques du métabolisme cellulaire au cours duquel la cellule synthétise toutes les molécules organiques dont elle a besoin et dégrade les molécules énergétiques (glucides) pour former de l'énergie chimique (sous forme d'ATP). Parmi les protéines synthétisées, certaines enzymes participent directement à la réalisation du phénotype macroscopique. Exemple : dans le cas de la chaîne de biosynthèse de la mélanine, si l'un des enzymes est inactif alors la mélanine n'est pas synthétisée et l'individu est albinos. 3.3 Conclusion. Par la catalyse spécifique d'un type de réaction du métabolisme, chaque enzyme participe ainsi à l'élaboration des phénotypes. C'est donc par leurs propriétés biocatalytiques que les enzymes interviennent, à différentes échelles, dans la réalisation du phénotype. 4
