Chap 4 - Un exemple d\'activité protéique les enzymes PDF

Preview

Summary

Cours sur Un exemple d'activité protéique les enzymes...

Description

Chapitre 4 : Un exemple d'activité protéique : Les enzymes Les enzymes sont des protéines spécifiques présentent dans tous les organismes vivants. Elles sont synthétisées dans les cellules suite à l'expression de certains gènes. Elles sont caractérisées par leur séquence. Elles ont une importante fonctionnelle majeure chez tous les organismes vivants. Elles conditionnent la vie cellulaire et sont indispensable à la vie de l'organisme. I-Des protéines catalyseurs biologiques : les enzymes A- Définition et propriétés fondamentales des enzymes Une enzyme est une protéine produite par un être vivant et qui catalyse une réaction spécifique c'està-dire qu'elle accélère une réaction chimique et se retrouve intacte à la fin de celle-ci. C'est donc un biocatalyseur. L'ensemble des réactions du métabolisme est assuré par les enzymes. A l'échelle de l'organisme et à celles des cellules, les enzymes sont indispensables aux réactions de dégradation (catabolisme) et de synthèse (anabolisme). Chaque réaction biochimique est catalysée par une enzyme spécifique. Au sein d'un organisme, les cellules n'auront pas toutes les mêmes enzymes. C'est l'équipement enzymatique d'une cellule qui conditionne les réactions qui s'y produisent et qui lui donne sa spécificité. Une enzyme agit à faible concentration car elle reste intacte en fin de réaction. Elle est donc immédiatement disponible pour catalysée une nouvelle réaction. Une enzyme agit à grande vitesse. C'est un catalyseur très efficace et plus puissant que les catalyseurs chimiques. Sans enzymes, les réactions seraient beaucoup plus longues et se ferait à des vitesses incompatible avec la vie. Une enzyme agit dans des conditions biologiques, notamment des conditions de températures et de pH caractéristiques des réactions biologiques. Une enzyme agit en milieu intra et extra C dans l'organisme et à l'extérieur de l'organisme qui l'a produite. B- Fonctionnement des enzymes 1. La double spécificité enzymatique a. Spécificité de substrat et spécificité d'action Toutes les enzymes ont une double spécificité de substrat et d'action. Une enzyme catalyse la transformation d'une molécule précise qualifié de substrat. Le nom de l'enzyme indique souvent la nature du substrat : l'amylase catalyse l'hydrolyse de l'amidon. Une enzyme ne catalyse qu'un seul type de réaction chimique, c'est la spécificité d'action, par exemple une enzyme digestive ne peut réaliser qu'une réaction d'hydrolyse. Le critère essentiel de classification des enzymes est basé sur la nature des réactions catalysées. On distingue par exemple les hydrolases, les polymérases, les oxydo-réductases.. b. Un site actif à l'origine de la double spécificité (doc1) Le substrat s'associe à une région limitée de l'enzyme appelé site actif qui est une zone en forme de poche ou de sillon. Il existe une étroite complémentarité de forme entre le site actif et une région précise du substrat. L'enzyme est donc caractérisé par cette région spécialisée. On distingue deux parties dans le site actif : – Site de fixation ou site de reconnaissance où se fixe la substance à transformer c'est-à-dire le substrat. Ce site porte des aa capables de reconnaître et de se lier au substrat. Ce sont des aa de liaisons. – Site catalytique responsable de l'action enzymatique. Il contient des aa qui interagisse avec le substrat et le transforme. Ce sont des aa catalytiques.

c. Forme de l'enzyme et activité enzymatique La forme de la protéine enzymatique détermine son activité . C'est donc la configuration spatiale du site actif qui explique la spécificité enzymatique. La structure primaire de la protéine c'est-à-dire sa séquence en aa conditionne la forme de l'enzyme c'est-à-dire la structure tertiaire par l'établissement de différentes liaisons entre des aa plus ou moins éloignés. Le changement de la séquence d'aa peut ainsi modifié la forme de l'enzyme et conduire à la perte de son activité catalytique en particulier lorsque les modifications concernent les aa du site actif. 2. Modalité de la catalyse enzymatique (doc 2) E + S -------------> E-S --------------> E + P enzyme substrat complexe enzyme-substrat enzyme produit La catalyse enzymatique se déroule en deux phases : – La formation du complexe enzyme-substrat c'est-à-dire la fixation du substrat sur l'enzyme – Le déroulement de la réaction chimique. Dès que la réaction a eu lieu le complexe se dissocie en libérant le ou les produit(s) et l'enzyme est à nouveau fonctionnel. Celle-ci peut alors se fixer à un nouveau substrat et catalyser sa transformation.

II- Étude de l'activité enzymatique : la cinétique enzymatique A- Présentation L'activité enzymatique s'évalue en mesurant la vitesse de la réaction catalysée. L'étude de la cinétique enzymatique dans différentes conditions apporte des renseignements sur les mécanismes des réactions enzymatiques. Pour évaluer la cinétique d'une réaction c'est-à-dire la vitesse de la réaction, on détermine soit la quantité de produits formés soit la quantité de substrat transformé par unité de temps. Cette activité peut s'évaluer en utilisant une méthode manuelle reposant sur de multiples mesures ou en utilisant un logiciel ExAO assurant de multiples mesures précises et rapides et affichant en temps réel la progression de la réaction.

B- Étude de la cinétique des réactions enzymatiques 1. Vitesse de la réaction enzymatique en fonction du temps (doc 3) Lorsqu'on observe l'évolution de la quantité de produit formé en fonction du temps, on voit que la vitesse de réaction enzymatique n'est pas constante. La vitesse est maximale en début de réaction puis elle diminue et devient nulle lorsque la quantité de produits formés n'augmente plus. Au début de la réaction enzymatique la quantité de substrat à transformer est maximale. Le nombre des complexes enzyme-substrat est maximal et le

nombre de produits formés augmente rapidement. Au cours du temps il y a de moins en moins de substrats à transformer ce qui réduit le nombre de complexes enzyme-substrat et donc la quantité de produit formés. En fin de réaction enzymatique, il n'y a plus de substrat à transformer et la réaction enzymatique s'arrête. L'analyse de la cinétique enzymatique repose sur l'étude de la vitesse initiale. En mesurant celle-ci pour différentes concentrations en substrats ou en enzymes, on obtient des courbes similaires pour la majorité des enzymes. 2. Vi de la réaction enzymatique en fonction [S] (doc 5 & 6) Pour une concentration en enzymes constante, lorsqu'on augmente la concentration en substrat, la vitesse de la réaction enzymatique augmente dans un premier temps puis se stabilise à une valeur maximale. On peut donc diviser la courbe en deux parties. Dans la première partie, on observe une augmentation de la vitesse avec la concentration en substrat. Plus le substrat est concentré dans la solution et plus l'enzyme à de probabilité d'en rencontrer. L'addition de substrat fait augmenter le nombre de complexe enzyme-substrat et donc le nombre de produits formés. Dans la deuxième partie de la courbe, au delà d'une certaine concentration en substrat, la vitesse se stabilise. Cela correspond à la vitesse maximale de la réaction lorsque toutes les molécules d'enzymes sont associées à des molécules de substrat. Le nombre de complexe enzyme-substrat ne peut plus augmenter et donc la quantité de produits formés par la vitesse non plus. On dit que l'enzyme est saturé. Remarque : Par convention, la concentration en substrat pour laquelle la vitesse est la moitié de la vitesse maximale est le KM. Il traduit la plus ou moins grande affinité de l'enzyme pour son substrat. 3. Vi en fonction [E] (doc 4) Pour une concentration en substrat constante et non limitante, l'augmentation de la concentration en enzymes a pour conséquence une augmentation de la vitesse de réaction. La courbe obtenue est une droite. En effet quand la quantité d'enzymes augmente, le nombre de complexe enzyme-substrat augmente et donc la quantité de produits formés augmente également. Le substrat étant en excès c'est dans ce cas la concentration en enzymes qui est un facteur limitant. 4. Effet d'un inhibiteur compétitif sur la catalyse enzymatique (doc 7) Chaque enzyme est spécifique d'un substrat. Cependant des molécules présentant des similitudes avec le substrat peuvent se lier à l'enzyme, bloquer le site actif et donc ralentir l'activité enzymatique. Ces molécules sont des inhibiteurs des enzymes compétitifs. En raison de leur conformation spatiale proche de celle du substrat, elles prennent sa place au niveau du site actif mais ne sont pas transformer. Ainsi pour les concentrations faible à moyenne en substrat, l'inhibiteur diminue la vitesse de la réaction enzymatique. Le site actif de certaines enzymes étant bloquées par l'inhibiteur, il y a moins de complexe enzyme-substrat de former et donc moins de produits formés par la vitesse. Pour les concentrations élevées en substrats, les inhibiteurs sont trop dilués parmi les molécules de substrats. Les enzymes se fixent quasi uniquement au substrat ce qui permet d'atteindre la vitesse maximale.

Remarques : Les inhibiteurs compétitifs augmente le KM et diminuent donc l'affinité de l'enzyme pour son substrat. Il existe des inhibiteurs non compétitifs qui ne bloquent pas le site actif mais modifie la structure de l'enzyme. En leur présence la vitesse de la réaction est diminué et n'atteint jamais la Vmax. Bilan : La vitesse de la réaction enzymatique dépend de la concentration en enzyme et en substrat varie en

fonction du temps pour une concentration de substrat donné, est directement proportionnelle à la concentration de l'enzyme. Tous facteurs qui augmente la probabilité de rencontre entre l'enzyme et son substrat augmente la vitesse de la réaction enzymatique et inversement. La vitesse de réaction varie beaucoup d'une enzyme à l'autre. III- Influence de l'environnement sur la catalyse enzymatique A- Activité enzymatique et température (doc 9) L'activité enzymatique varie selon la température du milieu. Les enzymes présentent une température optimale d'action pour laquelle la vitesse de réaction est maximale. Cette température optimale est généralement voisine de 40°C. En dessous et au dessus de cette valeur, l'activité enzymatique diminue et devient nulle pour les plus basses et les plus hautes températures. L'augmentation de la température jusqu'à la température optimale accélère la réaction enzymatique en augmentant l'agitation moléculaire. Cela augmente la probabilité de rencontres entre l'enzyme et le substrat et donc la formation de complexes enzyme-substrat. Au delà d'une certaine température c'est la structure de l'enzyme qui est modifiée. A 0°C, les enzymes sont inhibés réversiblement,on dit qu'elles sont inactivées. L'enzyme demeure intacte, sa structure tertiaire n'est pas modifiée et son activité reprend dès que la température devient normale. A haute température (>70°C), les enzymes sont inhibés irréversiblement. Leur structure tertiaire est modifiée par rupture de liaisons internes. Elles perdent alors définitivement leur fonction catalytique. Les enzymes sont alors dénaturés. B- Activité enzymatique et pH (doc 9) L'activité enzymatique varie selon les conditions de pH du milieu. L'action du pH est plus complexe et varie selon les enzymes. Chaque enzyme est actif que dans des limites de pH bien déterminé. Elle présente un pH optimal d'action pour lequel la vitesse de réaction est maximale. Selon l'enzyme et son environnement, le pH sera différent. Le pH a une influence sur la structure de l'enzyme en modifiant les charges porter par les acides aminés. Ces modifications rendent impossible la formation du complexe enzyme-substrat et peuvent même pour les pH extrêmes entraîner la dénaturation de l'enzyme.

Remarque : Certaines substances chimiques sont également capable de dénaturer les enzymes plus ou moins réversiblement car elles détruisent des liaisons intramoléculaires. Parmi ces agents dénaturants, on trouve l'urée qui provoque la rupture de liaisons hydrogènes. Le ß mercaptoéthanol qui provoque la rupture des ponts disulfures. CONCLUSION : Dans chaque cellule vivante il y a plusieurs milliers d'enzymes différents. Chaque enzyme catalyse une réaction précise. Dans une cellule de très nombreuses réactions chimiques ont lieu en même temps et peuvent être imbriquées en chaînes dans lesquelles les produits de l'une servent de substrat à la suivante. Ces réactions sont nécessaire pour assurer les fonctions cellulaires et maintenir le phénotype cellulaire. L'activité globale d'une cellule est donc d'un organisme pluricellulaire est ainsi fortement conditionnée par la nature des enzymes qu'elle possède. Les enzymes résultant de l'expression du patrimoine génétique. Ainsi à une information génétique d'une espèce donnée correspond un équipement enzymatique précis. L'équipement enzymatique varie donc suivant les espèces. L'activité enzymatique est sous un double contrôle. D'une part génétique la structure primaire de l'enzyme étant sous la dépendance de l'information génétique. L'autre est un contrôle environnemental. Les enzymes peuvent agir en dehors des cellules si on respectent les conditions de leur action....