Enzymologie et mécanismes enzymatiques

Enzymes et Coenzymes

• Les enzymes sont des catalyseurs biologiques protéiques qui transforment les substrats en produits, accélérant les réactions thermodynamiquement possibles (de 10⁶ à 10¹⁶ fois).

• Les enzymes sont retrouvées intactes après la réaction.

• Elles possèdent une spécificité de substrat (absolue ou relative) et de réaction (oxydoréductases, transférases, etc.).

• Elles sont soumises à régulation : activation ou inhibition.

Structure des Enzymes

• Certaines enzymes sont entièrement protéiques (holoprotéines).
• D'autres sont composées d'une partie protéique (apoenzyme) et d'une partie non protéique (cofacteur).
• Les cofacteurs sont classés selon leur nature chimique et la force de leurs interactions avec la partie protéique (métalliques ou organiques – coenzymes).
  • Les coenzymes peuvent être des cosubstrats (interaction faible) ou des groupements prosthétiques (interaction forte).

Nomenclature et Classification des Enzymes

• Les enzymes sont classées selon un système numérique de la Commission des Enzymes (EC).

• Le code EC est composé de 4 chiffres (W.X.Y.Z).

  • W : Indique la classe enzymatique (réaction).
  • X : Indique le substrat général impliqué.
  • Y : Indique le substrat spécifique ou le coenzyme.
  • Z : Indique le numéro de série de l'enzyme.

• Il existe 6 classes d'enzymes (EC1 à EC6) avec des exemples spécifiques.

Mécanisme de la réaction enzymatique

• Fixation du substrat au site actif de l'enzyme.
• Formation du complexe enzyme-substrat (ES).
• Formation du complexe enzyme-produit (EP).
• Libération du produit et de l'enzyme inchangée.
• Considérations stériques et énergétiques du complexe ES.
• Site actif : acides aminés regroupés dans une zone interne hydrophobe.
• Site de fixation du substrat : reconnaissance stérique et liaisons non covalentes.
• Site catalytique : transformation du substrat en produit.
• Double spécificité : substrat et catalyse.

Cinétique enzymatique

• Définition selon Michaelis et Menten (1913): étude des variations de la vitesse des réactions en fonction de la disparition du substrat (- d[S]/dt) ou de l'apparition du produit (+ d[P]/dt).
• Étapes d'une réaction enzymatique : 4 phases (pré-stationnaire, stationnaire, effet du produit, équilibre). Phase stationnaire : vitesse initiale, [S] en excès, [P] faible, [EP] dissociation négligeable.
• Représentation graphique de Michaelis-Menten : hyperbole.
• 2 constantes : V_max et K_M.
  • V_max : Vitesse maximale de la réaction.
  • K_M : Constante de Michaelis-Menten; concentration du substrat pour atteindre la moitié de V_max.

Signification de Vmax et Km

• V_max : Vitesse maximale initiale de la réaction enzymatique lorsque la concentration en substrat est infinie.
• K_M : Concentration du substrat nécessaire pour atteindre 50% de la vitesse maximale.
• K_M est inversement proportionnel à l'affinité de l'enzyme pour le substrat.

Équation et Représentation de Lineweaver-Burk

• Détermination précise de V_max et K_M à l'aide de la représentation graphique des inverses de la vitesse (1/v) en fonction de l'inverse de la concentration en substrat (1/[S]).
• La représentation est une droite dont la pente et l'ordonnée à l'origine permettent de calculer respectivement K_M et 1/V_max.

Dosage des Enzymes

• Impossible de déterminer la concentration massique des enzymes du fait des hétérogénéités structurales et de l'intervention de catalyseurs.
• On détermine l'activité enzymatique (AE) : Vitesse de la réaction x volume réactionnel, mesurée spectrophotométriquement.
• Unités d'activité enzymatique : Unités d'enzyme (U), Katal (kat).

Régulation des Enzymes

• L'objectif est le maintien de l'homéostasie métabolique, grâce à l'adaptation aux différentes situations physiopathologiques (jeûne, période alimentaire, stress, effort musculaire).
• Principaux mécanismes de régulation :
  • Effecteurs physiques (pH, température, force ionique).
  • Effecteurs chimiques (activateurs et inhibiteurs : compétitifs, non compétitifs, incompétitifs).
  • Allostérie.
  • Phosphorylation/déphosphorylation.

Régulation Allostérique

• Intervient sur les enzymes non michaeliennes (allostériques).
• L'allostérie implique une modification de l'activité de l'enzyme par l’activation ou la désactivation suivant les changements de sa conformation spatiale.
• Conformations possibles : tendue (T) ou relâchée (R).
• Fixation des effecteurs allostériques sur un site séparé du site de fixation du substrat.
• Conséquence : effet activateur ou inhibiteur.

Phosphorylation/Déphosphorylation

• Régulation covalente par phosphorylation d'acides aminés (Sérine et Thréonine) par des protéines kinases utilisant l'ATP, avec intervention du Mg²⁺.
• L'enzyme sous forme phosphorylée ou déphosphorylée a une activité modifiée.
• Déphosphorylation par les phosphatases.
• Hormonodépendants (glucagon ou insuline).

Coenzymes

• Des molécules non protéiques participant à des réactions enzymatiques.
• La plupart ont une origine vitaminique.
• Caractéristiques :
  • Agissent à faible concentration
  • Régénérées à la fin de la réaction.
  • Faible masse moléculaire.
  • Thermostables dans une certaine mesure.
• Deux types de coenzymes :
  • Cosubstrats (liaison faible, libérée puis régénérée).
  • Groupements prosthétiques (liaison forte, intégrés à l'enzyme).
• Classification des coenzymes: oxydoréduction, transfert de groupement.

Applications Cliniques

• Exemples de maladies liées à des déficits enzymatiques (déficit en phénylalanine hydroxylase).
• Exemples de maladies liées à des déficits vitaminiques (enzymes utilisant certains coenzymes avec une origine vitaminique).

Ce quiz explore les concepts fondamentaux de l'enzymologie, y compris la phosphorylation, l'allostérie et les types d'inhibiteurs. Découvrez comment les coenzymes et les activateurs influencent l'activité enzymatique et testez vos connaissances sur les constantes de Michaelis et les sites catalytiques. Préparez-vous à plonger dans le fonctionnement des enzymes et leurs rôles dans les réactions biochimiques.