Biologie Chapitre 5: Enzymes et Substrats

Biochimie L1-S2 UE Biochimie 2

• Cours d'enzymologie
• Licence Sciences Biomédicales
• Université Paris Cité

Objectifs d'apprentissage

• Définir les caractéristiques structurales et fonctionnelles d'une enzyme, les notions de site actif, d'énergie d'activation et d'état de transition
• Nommer et définir les sept classes fonctionnelles d'enzymes
• Définir les processus de régulation de l'activité des enzymes (ex: protéolyse, cofacteurs)

Organisation du cours

• Définitions (enzyme, substrat, produit)
• Site actif, énergie d'activation et état de transition
• Classification des enzymes, nomenclature
• Régulation de l'activité des enzymes (protéolyse partielle, cofacteurs)

Enzymes / Enzymologie

• Les enzymes jouent un rôle crucial pour maintenir la vie en assurant, dans des conditions compatibles avec la vie, les réactions chimiques nécessaires au métabolisme des organismes vivants.
• L'enzymologie est la partie de la biochimie qui étudie les propriétés structurales et fonctionnelles des enzymes, y compris la vitesse des réactions qu'elles catalysent.

Définitions : enzyme, substrat, produit

• Enzyme : protéine ayant une activité catalytique réglée et caractérisée par une double spécificité (substrat et réaction).
• Substrat : molécule entrant dans une réaction catalysée par une enzyme et se transformant.
• Produit : molécule apparaissant lors d'une réaction catalysée par une enzyme.

Définition d'une enzyme

• Une enzyme est une protéine dont l’activité catalytique est réglée par une double spécificité (spécificité de substrat et spécificité réactionnelle).
• Elle agit comme un catalyseur.
• Elle augmente la vitesse des réactions chimiques sans modifier l'équilibre de la réaction.
• Elle agit à des doses faibles par rapport aux réactifs.
• Elle se retrouve inchangée à la fin de la réaction.
• Elle existe sous des structures tertiaires (une chaîne polypeptidique) ou quaternaires (plusieurs chaînes polypeptidiques).
• Il existe des catalyseurs biologiques non protéiques mais étant ARN: les ribozymes.

Catalyseur et réaction à l'équilibre

• Un catalyseur augmente la vitesse de réaction en diminuant son énergie d'activation.
• Il ne modifie pas l'équilibre de la réaction, car les constantes de vitesse k1 et k2 sont multipliées par le même facteur x.
• L'enzyme augmente la vitesse de réaction mais ne modifie pas l'équilibre de celle-ci.

Définition du site actif

• Le site actif est une zone tridimensionnelle d'une enzyme qui interagit avec le substrat de manière stéréospécifique (géométrique et électrostatique).
• Il contient différents acides aminés à des potentialités réactives. Ce site est composé de deux entités:
• un site de liaison (pour la fixation du substrat grâce à des interactions faibles)
• un site catalytique (pour l’intervention de divers acides aminés sur le substrat pour le/les transformer).

Modèles de fixation

• Modèle clef-serrure : L'enzyme et le substrat ont des formes complémentaires parfaites.
• Modèle d'ajustement induit : L'enzyme change de conformation pour s'adapter au substrat, crée une interaction entre l'enzyme et le substrat, déstabilisé le substrat et catalyse la réaction.

Ajustement induit dans l'hexokinase

• La structure de l'enzyme change pour s'adapter à son substrat (en U à une forme stabilisée).
• Cette adaptation en forme U augmente la vitesse de réaction.

État de transition, énergie d'activation

• L'état de transition est une forme de substrat instable, entre les substrats et les produits.
• L'énergie d'activation est l'énergie nécessaire pour atteindre cet état de transition.

Diagramme énergétique

• La réaction non catalysée nécessite une énergie d'activation plus haute que pour une réaction catalysée.
• Le catalyseur diminue l'énergie d'activation.

Les catalyseurs

• Les catalyseurs permettent d'accroître le taux de réaction en diminuant l'énergie d'activation.

Classification des enzymes

• Les enzymes sont classifiées en 7 classes (oxydoréductases, transférases, hydrolases, lyases/synthases, isomérases, ligases/synthétases, translocases).

Nomenclature officielle

• Les enzymes ont un numéro EC (Enzyme Commission) qui les classifie selon leur classe, leur sous-classe, leur sous-sous-classe et un numéro d'ordre.

Exemple d'enzyme: hexokinase

• Nom usuel : hexokinase
• Réaction catalysée : D-hexose + ATP → D-hexose-6-phosphate + ADP
• Nom systématique : ATP:D-hexose 6-phosphotransférase
• Numéro de code : EC 2.7.1.1

Régulation de l'activité catalytique des enzymes

• Activation par le substrat, cofacteur
• Activation ou inhibition réversible par modifications covalentes (ex: phosphorylation)
• Inhibition par le produit
• Effets physico-chimiques (pH, température)
• Inhibition chimique : action irréversible, fixation covalente
• Inhibition chimique : action réversible, fixation non covalente

Proenzyme (zymogène)

• Proenzyme est une enzyme inactive convertie en forme active après un processus de protéolyse partielle ou élimination d'une partie de la chaîne polypeptidique.
• L'intérêt pour la cellule est basé sur sa possibilité de synthétiser une enzyme et de l'activer plus tard.

Cofacteur

• Un cofacteur est une substance non protéique, thermostable et de faible poids moléculaire nécessaire à l'activité enzymatique.
• Il est lié à l'enzyme de manière transitoire ou irréversible.
• Plusieurs types de cofacteur : éléments inorganiques (ions métalliques) ou éléments organiques (coenzymes et groupements prosthétiques).

Nature des cofacteurs

•  éléments inorganiques: ions métalliques (fixés fermement)
•  éléments organiques: coenzymes (fixés de manière transitoire) ou groupements prosthétiques (fixés de façon irréversible).

Exemple d'une enzyme nécessitant plusieurs cofacteurs: la succinate déshydrogénase

• L'enzyme succinate déshydrogénase nécessite plusieurs cofacteurs pour fonctionner, y compris le FAD, les centres fer-soufre, l'ubiquinone et le hème.