THEME 1 Chapitre 5:

Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Comme nous l’avons vu dans les chapitres précédents, les protéines, molécules aux rôles variés et vitaux, sont le produit de l’expression du génotype. Parmi elles, les enzymes, qui jouent un rôle primordial lors des réactions du métabolisme, telles que la digestion, la production d’énergie, la synthèse de molécules participant à l'édification de l'organisme, etc.

Exemple: le glucose est une source d’énergie centrale des cellules de l’organisme. Notre alimentation nous apporte des sucres mais il s’agit souvent de macromolécules constituées de longues chaînes de glucose, ou de molécules plus simples dans lesquelles le glucose est associé à d’autres molécules de sucres (Ex : amidon, glycogène, saccharose ….). Ces molécules complexes sont transformées en nutriments solubles susceptibles de passer de l’intestin au sang grâce à l’action des enzymes.

I. Les enzymes, des biocatalyseurs indispensables

Les enzymes sont qualifiés de biocatalyseurs car ce sont des substances fabriquées par des êtres vivants qui ont la propriété d’accélérer une réaction chimique (qu’il s’agisse de dégradation ou de biosynthèse).

Sans leur intervention, les réactions biochimiques n’auraient probablement pas lieu ou bien se réaliseraient à une vitesse extrêmement faible.

Comme tout catalyseur, l’enzyme n’intervient pas dans la réaction chimique en tant que réactif, et se retrouve ainsi intacte à la fin de celle-ci

elle est de ce fait immédiatement disponible pour accélérer une nouvelle réaction ; il suffit par conséquent d’une très faible quantité d’enzyme pour que la catalyse soit efficace.

Elle agit de plus à très grande vitesse ; une seule molécule d’enzyme peut catalyser la transformation de mille molécules en une seconde. Cependant, elle n’agit bien que dans les conditions qui permettent la vie des organismes vivants dont elles sont issues (pour des valeurs de température et de pression bien plus faibles que celles requises par les catalyseurs chimiques.)

Qu’est-ce qui distingue les catalyseurs biologiques des catalyseurs chimiques ?

II. La double spécificité des catalyseurs biologiques

a. Une spécificité de substrat

Une enzyme donnée ne peut agir que sur un type de substance qu’on qualifie alors de substrat. On dit qu’elle est spécifique de ce substrat.

Généralement le nom de l’enzyme indique la nature du substrat sur lequel elle agit puisqu’il est composé du substantif qui le désigne associé au suffixe «ase ». Bien sur, plusieurs enzymes peuvent intervenir sur un même substrat mais chacune d’elles le fait sur une partie chimiquement différente et/ou intervient dans une voie métabolique distincte.

b. Une spécificité d’action

Pour un substrat donné, une enzyme ne peut catalyser qu’un seul type de réaction chimique. C’est sa spécificité d’action.

La nature des réactions chimiques catalysées constitue le critère essentiel de classification des enzymes. Le nom attribué à chacune des familles fait allusion à la fonction que les enzymes qui les constituent ont en commun.

De plus en plus, on tend à exprimer dans le nom de l’enzyme sa double spécificité. Ex: La glucose oxydase est une enzyme qui catalyse l’oxydation du glucose.

Mais comment une enzyme peut intervenir dans la réaction chimique qu’elle catalyse puis être retrouvée intacte une fois que celle-ci a eu lieu?

III) Le mode d’action des enzymes

L’activité enzymatique s’évalue expérimentalement en mesurant la vitesse de la réaction catalysée. Cette vitesse s’apprécie par la quantité de substrat transformé (ou par la quantité de produit formé) par unité de temps.

Les courbes P=f(t) montrent que la vitesse de la réaction enzymatique diminue au cours du temps pour des concentrations initiales de substrat et d’enzyme données parce que la probabilité de rencontre entre une molécule d’enzyme et son substrat s’amenuise. Lorsqu’il n’y a plus de substrat, la réaction s’arrête : la vitesse est alors égale à 0 ce qui se traduit par une pente nulle au niveau des courbes.

On peut cependant augmenter la vitesse initiale en augmentant la quantité de substrat de départ. Mais passée une certaine valeur de cette quantité, la vitesse initiale de la réaction enzymatique n’augmente plus. Elle atteint un pallier qui correspond à la vitesse maximale, elle-même déterminée par la vitesse à laquelle chaque molécule enzymatique travaille, c’est-à-dire entraîne la réaction chimique et se dissocie des produits.

Pour pouvoir catalyser la réaction, l’enzyme doit en effet s’associer au substrat de façon temporaire grâce à des liaisons faibles, l’ensemble formant ce qu’on appelle traditionnellement le complexe enzyme-substrat.

Le pallier est atteint lorsqu’à chaque instant toutes les molécules d’enzymes sont liées à des molécules de substrat. L’enzyme est alors dite «saturée ».

Une augmentation supplémentaire de la quantité de substrat ne permet plus d’augmenter la vitesse de réaction. C’est la quantité d’enzyme qu’il faudrait alors augmenter car c’est elle qui constitue un facteur limitant de la réaction.

Une augmentation de température peut accélérer la vitesse d’une réaction catalysée par une enzyme jusqu’à une valeur dite optimale correspondant généralement à la température régnant dans la cellule d’origine (37 à 40°chez l’homme).

Au-delà, l’enzyme est dénaturée, c’est à dire qu’elle perd sa forme spatiale plus ou moins rapidement et perd définitivement sa fonction catalytique.

En revanche, aux basses températures, l’enzyme est seulement inactivée par diminution des mouvements moléculaires et retrouve ses propriétés si la température s’élève.

IV) La structure spatiale d’une protéine enzymatique détermine ses propriétés

La formation du complexe enzyme-substrat a lieu au niveau d’un domaine précis de l’enzyme : le site actif.

Celui-ci est composé d’un site de reconnaissance du substrat permettant la formation du complexe enzyme-substrat (spécificité de substrat) et d’un site catalytique comprenant quelques acides aminés qui présentent une forte réactivité avec certains atomes du substrat. Le substrat est alors mis en place dans une situation géométrique (par rapport notamment à une molécule d’eau lorsqu’il s’agit d’hydrolyse) qui favorise la réaction chimique (spécificité d’action).

Les enzymes sont des protéines dont la structure primaire, c’est-à-dire l’enchaînement particulier des acides aminés qui les constituent, détermine leur configuration spatiale.

En effet, l’établissement d’interactions (avec l’eau notamment : acide aminé hydrophile ou hydrophobe) et de liaisons diverses (liaisons hydrogènes, liaisons ioniques, ponts disulfures…) entre certains acides aminés plus ou moins voisins provoque des repliements caractéristiques de la molécule sur elle-même, permettant notamment la formation du site actif à partir d’acides aminés souvent éloignés dans la séquence primaire.

Des modifications ponctuelles de la structure primaire par remplacement d’un acide aminé par un autre en cas de mutation peuvent conduire à un changement de forme de l’enzyme pouvant aboutir à la perte de sa capacité catalytique ou parfois à son augmentation surtout lorsqu’il s’agit d’un acide aminé participant à la formation du site actif.

Une modification du milieu comme la variation du pH (ou de la température comme dit précédemment) peut également induire une modification de l’activité catalytique d’une enzyme par changement d’ionisation des acides aminés du site actif.

Chaque enzyme possède ainsi un pH pour lequel son activité est maximale : le pH optimum qui correspond également au pH régnant dans la cellule d’origine.

De part et d’autre de ce pH optimum, l’activité catalytique diminue. Pour des valeurs très éloignées de pH optimum, les charges des chaînes latérales des acides aminés sont modifiées et l’enzyme perd la forme qui la rendait active.

Exercice

Un médecin prescrit à l’un de ses patients atteint de diabète de type 2, un médicament dont le principe actif est l’acarbose. Par son mode d’action original, celui-ci permet de corriger les troubles liés à cette maladie. À partir de l’exploitation des documents et de la mise en relation avec vos connaissances, expliquez à ce patient le mode d’action de l’acarbose et son intérêt pour lui, individu diabétique.

Doc 1 : La réaction d’hydrolyse de l’amidon par les enzymes digestives

• Au cours de la digestion, l’amidon ingéré est hydrolysé grâce à l’action d’enzymes digestives, comme les amylases (salivaire et pancréatique) et la maltase.

• L’hydrolyse de l’amidon fournit du glucose qui traverse la paroi intestinale pour se retrouver dans le sang.

• Les équations chimiques relatives à cette hydrolyse sont présentées ci-dessous:

Doc 2:Variations de la vitesse d’hydrolyse de l’amylase pancréatique (enzyme agissant dans l’intestin), en absence ou en présence d’acarbose

Doc 3: Glycémie mesurée en période post-prandiale (après le repas), après traitement avec de l’acarbose ou non, chez des rats diabétiques et non diabétiques

Doc 4 : Modèles moléculaires de l’amylase pancréatique en présence d’amidon (fragment) ou en présence d’acarbose

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