Chapitre 3 – Les enzymes

 Le phénotype est directement lié au génotype à travers les protéines, dont font partie les enzymes. Les enzymes sont impliquées dans toutes les réactions biochimiques se produisant dans une cellule.

Problématique : Comment agissent les enzymes ?

 

I – Les enzymes, des catalyseurs biologiques :

 

A6 – Qu’est-ce qu’une enzyme ?

Objectif : On cherche à comprendre pourquoi les enzymes sont nécessaires à la réalisation des réactions biochimiques.

  • Concevoir et réaliser des expériences utilisant des enzymes et permettant d’identifier leurs spécificités. 

 

    1) Les propriétés d’un catalyseur :

    Les enzymes sont des catalyseurs : elles accélèrent la vitesse de transformation d’un substrat S en un produit P. Sans enzyme, la même réaction chimique serait beaucoup plus longue ou serait même impossible à réaliser.

Ex. : L’hydrolyse de l’amidon peut se faire in vitro en milieu acide (pH = 1) et à température élevée (100°C). Pour se dérouler in vivo à 37°C elle nécessite l’intervention de l’amylase.

Comme tout catalyseur, une enzyme reste présente et intacte en fin de réaction, immédiatement disponible pour catalyser une nouvelle réaction.

   Les enzymes sont des catalyseurs biologiques : elles agissent dans des conditions physico-chimiques (température, pH, etc.) compatibles avec la vie des cellules. Elles sont fabriquées par des organismes vivants (bactéries, champignons, végétaux, animaux…).

 

   2) La configuration spatiale de l'enzyme :

    Comme toutes les protéines, l'enzyme possède une structure tridimensionnelle qui dépend de l'enchaînement des acides aminés dans la chaîne polypeptidique et des interactions entre eux. Une modification de la séquence d’acides aminés d'une enzyme due à une mutation du gène la codant peut provoquer un changement de sa structure spatiale. Cela diminue l'activité de l'enzyme et peut même supprimer l'activité enzymatique.

 

II – Le mode d’action des enzymes :

A7 – Le mode d’action des enzymes

Objectif : On cherche à construire un modèle du mode d’action des enzymes.

  • Étudier l’interaction enzyme-substrat en comparant les vitesses initiales des réactions et faisant varier soit la concentration en substrat; soit en enzyme.
  • Utiliser des tangentes à t0 pour calculer la vitesse initiale.

 

   1) Les étapes de la catalyse :

   L'action enzymatique se déroule en deux étapes :

- la première consiste en la formation d'un complexe stéréospécifique entre une enzyme E et son substrat S, appelé couramment "complexe enzyme-substrat" ES :

E + S à ES

- la deuxième est l'activation catalytique de la réaction au sein du complexe, qui conduit à la transformation du substrat en produit P :

ES à E + P

Le complexe est transitoire : l'enzyme se retrouve intacte à la fin de la réaction et peut interagir avec une nouvelle molécule de substrat.

 

    2) La cinétique enzymatique :

    La vitesse de la réaction enzymatique est la quantité de substrat transformé (ou de produit formé) par unité de temps. Plus la probabilité de rencontre entre l’enzyme et son substrat est grande, plus la vitesse est élevée. La vitesse de la catalyse est maximale au début de la réaction (toutes les enzymes sont occupées) puis diminue progressivement en fonction de la quantité de substrat restant à transformer. La vitesse de la réaction enzymatique est donc le coefficient directeur de la tangente à la courbe de cinétique au tout début de la réaction.

 Explication du calcul du coefficient directeur de la tangente (TP) :

 

On a la courbe de la quantité de produit en fonction du temps.

On trace la tangente à la courbe au tout début de la réaction (moment où la vitesse est maximale). Cette droite a une équation de la forme y = a x + b.

On doit déterminer son coefficient directeur. Pour cela on prend 2 points :

Point 1 de coordonnées x=T1 et y=P1

Point 2 de coordonnées x=T2 et y=P2.

On a alors un système de deux équations à deux inconnues :

        P1 = a T1 + b      et     P2 = a T2 + b

Dont on peut tirer b = P1 – a T1

et donc P2 = a T2 + P1 – a T1 à a = P2 – P1 / T2 – T1


   3) L’influence des conditions du milieu :

        La vitesse de la catalyse enzymatique dépend de nombreux facteurs :

 - La concentration en substrat : plus la concentration est élevée, plus la probabilité de formation d'un complexe enzyme-substrat est grande.

 La vitesse maximale est atteinte quand tous les sites actifs des enzymes présentes sont occupés par des molécules de substrat. On dit alors que les enzymes sont saturées.

            - La concentration en enzyme : même principe.

- Le pH : la catalyse enzymatique n'est permise que dans une gamme de pH donné, compatible avec la vie. Chaque enzyme possède un pH optimal auquel son activité est maximale. En dehors de ces conditions, la variation de pH modifie le site actif de l'enzyme, bloquant la catalyse.

Rmq : La variation de pH modifie les charges ioniques portées par les acides aminés constitutifs de l'enzyme. Si les acides aminés du site actif sont modifiés par les ions OH- et H3O+, il y a dénaturation du site actif.

 - La température : une augmentation de température entraîne un accroissement de l’agitation des molécules en solution et donc des probabilités de rencontre de l’enzyme et son substrat. Les enzymes possèdent une température optimale à laquelle l’activité est maximale. Cependant, une température trop élevée détériore (dénature) l’enzyme de façon irréversible.

 Rmq : Cet effet est dû à une dénaturation thermique de la structure de la protéine enzymatique, et donc de sa configuration spatiale. L'altération du site actif ne permet plus la catalyse.

 

III – Les spécificités des enzymes :

A8 – Les spécificités des enzymes

Objectif : On cherche à identifier les spécificités des enzymes.

  • Étudier les relations enzyme-substrat au niveau du site actif par un logiciel de modélisation moléculaire.
  • Concevoir et réaliser des expériences utilisant des enzymes et permettant d’identifier leurs spécificités.

   1) Le site actif :

   Lors de la réaction chimique, le substrat se fixe à une zone particulière de l’enzyme : le site actif. Il est localisé au fond d'une logette de la structure tridimensionnelle de l'enzyme. Il est composé :

- d'un site de reconnaissance du substrat, de forme complémentaire à celui-ci.

- d'un site catalytique composé d'acides aminés pouvant réagir avec certains atomes du substrat.

Une mutation responsable d’une modification des acides aminés du site actif affecte automatiquement l’efficacité de l’enzyme.

 

   2) La double spécificité :

        Les enzymes présentent une double spécificité :

- spécificité d'action : chaque enzyme ne catalyse qu'un seul type de réaction.

- spécificité de substrat : une enzyme ne peut se lier qu’à un seul substrat (ou un groupe de composés possédant en commun une architecture moléculaire très voisine).

Le grand nombre de réactions métaboliques catalysées dans une cellule impose donc un équipement enzymatique très important.