Enzymologie et caractéristiques des enzymes

Biochimie L1-S2 UE Biochimie 2, Licence Sciences Biomédicales, Université Paris Cité, Cours d'Enzymologie - Généralités

• Objectifs d'apprentissage:
  • Définir les caractéristiques structurales et fonctionnelles d'une enzyme, y compris le site actif, l'énergie d'activation et l'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).

Plan 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)

Définitions : enzyme, substrat, produit

• Enzyme: Protéine avec une activité catalytique régulée, caractérisée par une double spécificité pour son(ses) substrat(s) et pour la réaction qu'elle catalyse.
• Substrat: Molécule intervenant dans une réaction catalysée par une enzyme, qui sera transformée.
• Produit: Molécule apparaissant au cours d'une réaction catalysée par une enzyme.

Définition d'une enzyme

• Enzyme: Protéine qui régule et présente une activité catalytique. Il y a une double spécificité pour le substrat et pour la réaction.
• Catalyseur: Augmente la vitesse des réactions chimiques en diminuant l'énergie d'activation, sans modifier l'équilibre de la réaction. L'enzyme agit à faible dose par rapport aux réactifs et se retrouve inchangée à la fin de la réaction.

Catalyseur et réaction à l'équilibre

• Catalyseur: Les catalyseurs permettent d'accroître le flux en produit d'une réaction en diminuant l'énergie d'activation. Une réaction avec catalyseur est plus rapide qu'une réaction sans catalyseur mais les constants d'équilibres ne sont pas modifiés.
• Exemple d'une réaction:
  • A → B
• État de transition: forme la plus instable du substrat (le plus énergétique) lors d'une réaction, c'est un état intermédiaire entre le substrat et le produit.
• Énergie d'activation: énergie nécessaire au substrat pour atteindre l'état de transition, qui influence la vitesse de la réaction.
• Diagramme énergétique: Un diagramme qui illustre l'évolution de l'énergie libre d'une réaction avec ou sans enzyme. Une enzyme diminue l'énergie d'activation mais n'influence pas l'équilibre.

Site actif : structure et dénaturation

• Site actif: Réduit du volume de la protéine, où le substrat se lie, avec stéréospécificité, et où se déroule la réaction. Il s'agit d'une entité tridimensionnelle.
  • Liaison stéréospécifique: Liaison spécifique entre le substrat et l'enzyme, basée sur des interactions faibles (non covalentes). 
  • Sites de liaison: reconnnaissance / maintien du substrat par des interactions faibles (hydrogènes, ioniques, hydrophobes)
  • Site catalytique: changement du(es) substrat(s) grâce aux acides aminés ayant des potentialités réactionnelles (His, Asp, Glu, Arg, Lys, Tyr, Ser, Cys).
• Dénaturation: Perte de structure tridimensionnelle du site actif de l'enzyme, causé par le pH, la température ou la présence d'ions ou de solvants ; perd son activité catalytique.

Modèles de fixation

• Modèle clef-serrure: L'enzyme et le substrat ont des structures rigides et complémentaires.
• Modèle d'ajustement induit: L'enzyme change de conformation lors de la fixation du substrat (structure flexible)

Ajustement induit dans l'hexokinase

• Hexokinase: enzyme qui change de forme lors de la liaison de son substrat. 

État de transition

• États de transition: État moléculaire instable et intermédiaire lors d'une réaction chimique, entre les réactifs et les produits. L'enzyme est complémentaire à l'état de transition.
• Energie d'activation: énergie nécessaire à une réaction pour passer de l'état initial a l'état de transition.

Diagramme énergétique

• Réaction non catalysée: diagramme avec une grande énergie d'activation.
• Réaction catalysée: diagramme avec une faible énergie d'activation. La vitesse d'une réaction dépend de l'énergie libre d'activation. Une énergie d'activation élevée correspond à une petite vitesse de la réaction. 

Classification des enzymes

• Classification: Les enzymes sont classifiées en 7 classes selon le type de réaction (oxydoréductase, transférase, hydrolase, lyase/synthase, isomérase, ligase/synthétase, translocase). Le nom usuel des enzymes finit en "ase".
• Nomenclature officielle: Chaque enzyme possède un numéro EC (Enzyme Commission), avec quatre nombres, qui identifie les classes, les sous-classes, sous-sous-classes, et le numéro d'ordre.
• Exemple d'enzyme: L'hexokinase possède un nom usuel et systématique et a un numéro EC.

Régulation de l'activité enzymatique

• Activation/Inhibition: L'activité enzymatique peut être régulée par divers mécanismes (substrats, cofacteurs, facteurs physicochimiques comme le pH, la température, des inhibiteurs).
• Pro-enzyme (zymogène): forme inactive d'une enzyme qui doit subir une réaction de protéolyse pour devenir active ; elle assure une régulation du moment d'action de l'enzyme.
• Cofacteur: substance non protéique, thermostable et de faible poids moléculaire, qui est nécessaire à la catalyse enzymatique (ions métalliques, coenzymes liés, coenzymes libres).
• Apoenzyme: partie protéique de l'enzyme, non lié au cofacteur.
• Holoenzyme: enzyme complète avec son cofacteur.

Nature des cofacteurs

• Ions métalliques: cofacteurs inorganiques liés solidement à l'enzyme (ex: Fe2+, Fe3+,...).
• Coenzymes libres: cofacteurs organiques liés faiblement à l'enzyme (ex: NAD+, NADP+...).
• Coenzymes liés: cofacteurs organiques liés fortement à l'enzyme (ex: FMN, FAD, hème...).

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

• Détail des cofacteurs nécessaires à l'activité de la succinate déshydrogénase.