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ENZYMOLOGIE
UE1
PARTIE 1
I. Structure
Catalyseur
•
Substance qui réagit avec un réactant en modifiant la distribution d'énergie entre ses liaisons
chimiques
•
L'énergie d'activation étant moindre en présence d'un catalyseur, la réaction est plus rapide.
•
La composition chimique du catalyseur n'est pas modifiée par la réaction
•
Une molécule unique de catalyseur peut être utilisée à de multiples reprises pour catalyser la
conversion de nombreuses réactions.
•
Un catalyseur ne modifie pas le contenu énergétique des réactants et des produits.
Enzyme
•
La plupart des réactions dans l'organisme se feraient à des vitesses très lentes si elles étaient
effectuées dans un tube à essai par simple mélange des réactants et produits car leurs énergies
d'activation sont très élevées.
•
Pour obtenir de grandes vitesses de réaction observées dans les organismes vivants, il faut que
des catalyseurs abaissent les énergies d'activation.
•
Ces catalyseurs particuliers sont appelés enzymes. Ces derniers étant des protéines, ils sont des
catalyseurs protéiques.
•
Certaines molécules d'ARN possèdent des activités enzymatiques : ce sont des ribozymes.
•
Pour assurer ses fonctions, un enzyme doit être au contact des réactants appelés substrats dans
le cas de réactions enzymatiques. Le substrat se fixe sur l'enzyme et forme ainsi un complexe
enzyme-substrat, puis se désagrège pour libérer les produits et l’enzyme non modifiée.
La réaction est décrite de la manière suivante : SA+B + E ↔ SAB–E → PAB + E —————————————
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A la fin de la réaction, l'enzyme peut rentrer dans une nouvelle réaction avec d'autres molécules de
substrat.
→ L'effet global est l’accélération de la conversion du substrat en produit, l'enzyme agissant
comme catalyseur.
Un enzyme, comme toute protéine, est synthétisée à partir de l'ADN ou de l'ARN (dans le cas de
certains virus).
L'ARN mature va être traduit et donner une pré-pro-protéine qui va subir des modifications posttraductionnelles.
Un enzyme subit des transformations post-traductionnelles comme la glycosylation, le clivage en
partie N-terminale ou C-terminale par des endo- ou exo-peptidases. Les principales caractéristiques des enzymes
- Un enzyme ne subit aucun changement chimique au cours de la réaction qu'elle catalyse.
- La fixation d'un substrat sur le site actif d'un enzyme à toutes les caractéristiques de la fixation d'un
ligand sur une protéine en terme de spécificité chimique, d'affinité, de compétition et de saturation.
- Un enzyme augmente la vitesse d'une réaction chimique sans induire d'autres réactions qui
n'auraient pas lieu en son absence
- Un enzyme abaisse l'énergie d'activation d'une réaction mais ne modifie pas la quantité nette
d’énergie apportée au système ou libérée par les substrats dans la réaction.
- Les enzymes sont des protéines qui jouent le rôle de catalyseur : ils augmentent la vitesse de
réaction vers son point d'équilibre sans toutefois modifier la position de celui-ci : ce sont des
catalyseurs biologiques (n’interviennent pas dans le bilan réactionnel).
Les enzymes diffèrent des catalyseurs chimiques par leur structure chimique : les catalyseurs sont des
composés minéraux alors que les enzymes sont organiques. —————————————
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Il existe 2 grandes catégories d'enzymes :
→ Les enzymes purement protéiques : elles jouent un rôle dans la structure 3D des protéines matures.
→ Les enzymes en deux parties : une partie protéique appelée apoenzyme, et une partie nonprotéique, qui se comme cofacteur ou coenzyme.
Si la partie non protéique est un métal présent à l'état de trace (Mg, Ca, Zn, Mn…) → cofacteur
Si la partie non protéique est un composé organique (souvent de faible PM) → coenzyme Le coenzyme participe directement à la réaction en tant que substrat.
La fixation du coenzyme ou cofacteur sur l'enzyme modifie sa conformation, lui permettant
d’interagir avec le substrat.
Un enzyme complètement actif sur le plan catalytique (lié
à son coenzyme ou cofacteur) est appelé holoenzyme.
L'activité catalytique spécifique appartient à l'apoenzyme
→ l'activité enzymatique est portée par la composante
protéique.
II. Coenzyme
Définition : composé organique de nature non protéique qui est associé à la partie protéique de
l'enzyme et qui lui confère ses propriétés enzymatiques.
Sans le coenzyme, la catalyse réactionnelle ne peut avoir lieu.
Les enzymes qui nécessitent des coenzymes catalysent des réactions dans lesquelles quelques atomes
(hydrogène, groupement méthyl/acétyl…) sont soit extraits, soit ajoutés au substrat.
Précurseurs des coenzymes
Les vitamines sont souvent précurseurs des coenzymes. Ce sont des petites biomolécules nécessaires en
petite quantité dans le régime des animaux supérieurs.
Les vitamines hydrosolubles sont :
•
vitamine C → ou ascorbate : anti-oxydant nécessaire à l'hydroxylation des résidus Proline du collagène
•
vitamine B
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Les vitamines liposolubles sont :
•
vitamine A ou rétinol
→ précurseur du rétinal
•
vitamine D → régulateur du métabolisme phospho-calcique
•
vitamine E → anti-oxydant des membranes
•
vitamine K → acteur lors de la carboxylation du Glutamate
Propriétés générales
- Les coenzymes et cofacteurs sont stables à la chaleur, de faible PM et non responsables de la
spécificité des enzymes (rôle d'aide uniquement). Ils retrouvent toujours leur état initial…
- … À l'inverse des substrats qui eux sont transformés en produits, durant la réaction enzymatique.
- Un coenzyme comme l'ATP peut être utilisé par des enzymes de spécificités différentes mais exerçant le plus souvent un même type d'effet sur les substrats.
Exemple : Acetyl-CoA carboxylase et Pyruvate carboxylase sont des réactions enzymatiques
différentes mais utilisent toutes les deux l'ATP comme coenzyme. Les réactions auxquelles participent les coenzymes sont des réactions de transfert d’électrons, de
protons et groupements phosphate et servent d'accepteurs temporaires.
On distingue les coenzymes activateurs (ou groupements prosthétiques) qui sont fortement liés à
l'apoenzyme par des liaisons covalentes. Ils ne se détachent pas de l'apoenzyme au cours de la
réaction, à l'inverse du substrat. On distingue aussi les coenzymes transporteurs (ou cosubstrats) qui eux, se dissocient facilement de
l'apoenzyme.
Le coenzyme retrouve son état initial lors d'une seconde réaction faisant intervenir un autre enzyme.
Quand l'enzyme est inactif, le coenzyme n'est pas fixé sur l'enzyme. —————————————
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III. Isoenzymes
De nombreux enzymes apparaissent sous plus d'une forme moléculaire dans la même espèce, même
tissu ou même cellule.
Dans chaque cas, les formes différentes de l'enzyme catalysent la même réaction mais ont des
propriétés cinétiques différentes puisqu'ils ont une séquence en AA différente, ils peuvent alors être
distingués et séparés par des procédés appropriés.
Ces formes multiples d'enzyme sont appelées isoenzymes ou isozymes.
Le premier enzyme trouvé possédant des isoenzymes est la lactate déshydrogénase (LDH) qui
catalyse une réaction réversible d'oxydoréduction. LDH
Lactate + NAD+ ↔ Pyruvate + NADH + H+
La LDH apparaît chez les animaux sous 5 formes différentes d'isoenzymes séparables par
électrophorèse, cet enzyme catalyse le stade final de la glycolyse anaérobie dans toutes les cellules.
Il possède une structure de 4 sous-unités dont deux types sont observées :
•
chaines M dans les enzymes musculaires (muscle)
•
chaines H dans le cœur (heart)
La composition en AA de ces chaines sont différentes, elles peuvent s'assembler pour former 5 isoenzymes différents :
-
M4
M3H1
M2H2
M1H3
H4
Au cours de leur biosynthèse, les peptides (neuropeptides, hormones…) subissent plusieurs
modifications post-traductionnelles dont la plus fréquente est l'α-amidation en C-terminal. Cette
fonction amide est essentielle à leur activité biologique.
La peptidyl-glycine α-amidating mono-oxygénase (PAM, EC.1.14.17.3) catalyse la réaction d'αamidation de ces peptides, c'est une réaction en deux étapes dont chacune est catalysée par un domaine
différent de l'enzyme bi-fonctionnelle.
Un seul gène complexe code pour la PAM, le phénomène d'épissage alternatif soumis à une
régulation au cours du développement et présentant une spécificité cellulaire engendre plusieurs
ARNm codant pour les différentes formes protéiques (isoenzymes) de l'enzyme. —————————————
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Tous les peptides devraient être sous la forme : Cependant, 70% des peptides et hormones présente un groupe amide au lieu du groupe COOH en Cterminal. Ceci est du à l’action de la PAM.
→ Toute protéine portant un groupement amide en C-ter a subit l'action de la PAM, nécessaire à la vie.
Exemple du fonctionnement de la PAM
Dans cette séquence, on a un résidu Proline, lui même lié à une Glycine, et lui aussi lié à 2 AA
basiques. Le pH optimal de la PAM est de 7,5 - 8,5.
Premières étapes, distinctes des étapes de la PAM : activité endopeptidase et exopeptidase.
→ Endopeptidase : va couper la liaison entre les deux AA basiques et n’en laisser qu’un (coupe au
milieu du peptide donc)
→ Exopeptidase : va, quant à elle, couper à droite de la Glycine, c’est à dire entre la Glycine et l’AA
basique restant (coupe donc une extrémité)
On obtient donc un peptide avec une Glycine du côté C-terminal.
C’est à ce moment là que la PAM rentre en action, via ses deux activités enzymatiques. On dit que la
PAM est bifonctionnelle.
La première action de la PAM se fait via ce que l’on appelle PHM ( PeptidylGlycine Hydroxylating
Monooxygenase ) qui se fait à pH acide. Elle va avoir une action d’hydroxylation du Cɑ en ajoutant
un groupement -OH sur celui ci.
La nucléophilie de ce groupement va fragiliser les autres liaisons du peptide en électrons. Cette
première action se fait en présence de Cu2+, d’ascorbate et d’O2.
La deuxième action de la PAM est appelée PAL ( Peptidyl Amidating Lyase ) et catalyse la rupture de
la liaison entre le Cɑ et le groupement azote de la Glycine, et se fait à pH alcalin.
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On se retrouve donc avec un peptide (ici Pro) avec un groupement -NH2 supplémentaire en C-terminal
(au lieu de COOH) et d’un composé appelé Glyoxalate (ou Glyoxylate), qui est en réalité une « Glycine » modifiée, hydroxylée et désaminée.
Exemple dans la vie : un composé appelé TRH synthétisé dans l’hypothalamus va venir se mettre sur
l’hypophyse et stimuler la sécrétion d’un petit peptide de 3 AA, appelé TSH, qui va se retrouver avec
un groupement -NH2 en C-terminal. On en déduit que la PAM a eu une action sur ce peptide, et cela a
permis d’augmenter jusqu’à 2000 fois son activité. Le peptide TSH amidé est bien plus puissant que le
peptide seul. IV. Vitesse de réaction
La vitesse de réaction enzymatique est mesurée à partir
de la quantité de produits formés ou de réactifs
disparus par unité de temps.
L'affinité de l'enzyme est donnée par la constante de
Michaelis, Km dans le cas d'un enzyme simple avec un
seul site de fixation.
Les enzymes sont de vrais catalyseurs, ils augmentent
considérablement la vitesse des réactions chimiques
spécifiques qui pourraient se produire sinon très
lentement.
→ Ils augmentent la vitesse en abaissant leur énergie d'activation.
Une réaction chimique telle que A+B → AB s'effectue car une certaine fraction de molécules possèdent
plus d'énergie interne que le reste de la population : énergie suffisante pour les amener au sommet de la
colline énergétique à une forme réactive appelée état de transition.
Les substrats A et B requièrent en conditions normales une quantité d’énergie considérable E1 pour
atteindre l'état de transition AB à la suite duquel AB peut se former.
L'enzyme crée un micro-environnement dans lequel A et B peuvent atteindre l’état AB plus facilement,
réduisant par conséquent l'énergie requise.
Comme il est plus facile d'atteindre un niveau d'énergie inférieur, la réaction peut avoir lieu plus
fréquemment ce qui se traduit par une vitesse de réaction accrue.
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