définition
Les enzymes sont des protéines produites dans des cellules végétales et animales, qui agissent comme des catalyseurs, accélérant les réactions biologiques sans être modifiées.
Les enzymes agissent en se combinant avec une substance spécifique pour la transformer en une substance différente; des exemples classiques sont donnés par les enzymes digestives présentes dans la salive, dans l'estomac, dans le pancréas et dans l'intestin grêle, qui jouent un rôle essentiel dans la digestion et aident à séparer les aliments en composants de base, qui peuvent ensuite être absorbés et utilisés par l'organisme, traités par d'autres enzymes ou expulsés en tant que déchets.
Chaque enzyme a un rôle spécifique: celui qui décompose les graisses, par exemple, n’agit pas sur les protéines ni les glucides. Les enzymes sont essentielles au bien-être du corps. La carence, même d'une seule enzyme, peut causer des troubles graves. Un exemple assez connu est la phénylcétonurie (PCU), une maladie caractérisée par l’incapacité de métaboliser un acide aminé essentiel, la phénylalanine, dont l’accumulation peut provoquer des malformations physiques et des maladies mentales.
Analyse biochimique
Les enzymes sont des protéines particulières qui ont la particularité d’être des catalyseurs biologiques, c’est-à-dire qu’elles ont la capacité de décomposer l’énergie d’activation (Eatt) d’une réaction, en modifiant son chemin pour en faire un processus cinétiquement lent, s’avèrent plus rapides.
Les enzymes augmentent la cinétique des réactions thermodynamiquement possibles et, contrairement aux catalyseurs, elles sont plus ou moins spécifiques: elles possèdent donc une spécificité de substrat.
L'enzyme n'est pas impliquée dans la stœchiométrie de la réaction: pour cela, il est essentiel que le site catalytique final soit identique à celui d'origine.
Dans l'action catalytique, il y a presque toujours une phase lente qui détermine la vitesse du processus.
En ce qui concerne les enzymes, il n'est pas correct de parler de réactions à l'équilibre. On parle plutôt d' état stable (état dans lequel un métabolite donné est formé et consommé en permanence, tout en maintenant sa concentration presque constante dans le temps). Le produit d'une réaction catalysée par une enzyme est, quant à lui, généralement réactif pour une réaction ultérieure, catalysé par une autre enzyme, etc.
Les processus catalysés par des enzymes sont généralement constitués de séquences de réactions.
Une réaction générique catalysée par une enzyme (E) peut être résumée comme suit:
Une enzyme générique (E) se combine avec le substrat (S) pour former le produit d'addition (ES) avec une constante de vitesse K1; il peut à nouveau se dissocier en E + S, avec une constante de vitesse K2, ou (s'il "vit" assez longtemps) il peut passer à la forme P avec une constante de vitesse K3.
Le produit (P) peut, à son tour, se recombiner avec l'enzyme et reformer le produit d'addition avec la constante de vitesse K4.
Lorsque l'enzyme et le substrat sont mélangés, il y a une fraction de temps pendant laquelle la rencontre entre les deux espèces n'a pas encore eu lieu: en d'autres termes, il existe un intervalle de temps extrêmement court (qui dépend de la réaction) dans lequel l'enzyme et le substrat ne sont pas encore réunis; après cette période, l'enzyme et le substrat entrent en contact en quantité progressivement supérieure et le produit d'addition ES est formé. Ensuite, l'enzyme agit sur le substrat et le produit est libéré. On peut alors dire qu'il existe un intervalle de temps initial dans lequel la concentration du produit d'addition ES ne peut pas être définie; après cette période, on suppose qu'un état stable est établi, c'est-à-dire que la vitesse des processus conduisant à l'obtention du produit d'addition est égale à la vitesse des processus conduisant à la destruction du produit d'addition.
La constante de Michaelis-Menten (KM) est une constante d'équilibre (référée au premier équilibre décrit ci-dessus); on peut dire, avec une bonne approximation (car K3 devrait également être pris en compte), que KM est représenté par le rapport entre les constantes cinétiques K2 et K1 (se référant à la destruction et à la formation du produit d'addition ES dans le premier équilibre décrit ci-dessus).
Grâce à la constante de Michaelis-Menten, nous avons une indication de l'affinité entre l'enzyme et le substrat: si le KM est petit, il existe une forte affinité entre l'enzyme et le substrat, de sorte que le produit d'addition ES est stable.
Les enzymes sont soumises à une régulation (ou à une modulation).
Dans le passé, il s'agissait principalement de modulation négative, c'est-à-dire d'inhibition de la capacité catalytique d'une enzyme, mais il peut aussi exister une modulation positive, c'est-à-dire qu'il existe des espèces capables d'améliorer les capacités catalytiques d'une enzyme.
Il existe 4 types d'inhibitions (obtenues à partir d'approximations effectuées sur un modèle afin de faire correspondre les données expérimentales aux équations mathématiques):
- inhibition compétitive
- inhibition non compétitive
- inhibition incompétitive
- inhibition compétitive
On parle d'inhibition compétitive lorsqu'une molécule (inhibiteur) est capable de rivaliser avec le substrat. Par similarité structurelle, l'inhibiteur peut réagir à la place du substrat; c'est de là que vient la terminologie "inhibition compétitive". La probabilité que l'enzyme se lie à l'inhibiteur ou au substrat dépend de la concentration des deux et de leur affinité avec l'enzyme; par conséquent, la vitesse de réaction dépend de ces facteurs.
Pour obtenir la même vitesse de réaction qu’en l'absence d'inhibiteur, il est nécessaire d'avoir une concentration en substrat plus élevée.
Il a été démontré expérimentalement qu'en présence d'un inhibiteur, la constante de Michaelis-Menten augmente.
En ce qui concerne l'inhibition non compétitive, l'interaction entre la molécule qui doit jouer le rôle de modulateur (inhibiteur positif ou négatif) et l'enzyme a lieu dans un site différent de celui dans lequel le interaction entre enzyme et substrat; on parle donc de modulation allostérique (du grec allosteros → autre site).
Si l'inhibiteur doit se lier à l'enzyme, il peut induire une modification de la structure de l'enzyme et, par conséquent, diminuer l'efficacité de la liaison du substrat à l'enzyme.
Dans ce type de processus, la constante de Michaelis-Menten reste constante puisque cette valeur dépend de l'équilibre entre l'enzyme et le substrat et que ces équilibres, même en présence d'un inhibiteur, ne changent pas.
Le phénomène d'inhibition incompétitive est rare; un inhibiteur incompétitif typique est une substance qui se lie de manière réversible au produit d'addition ES, donnant lieu à l'ESI:
L'inhibition due à l'excès de substrat peut parfois être d'un type incompétitif, car cela se manifeste lorsqu'une deuxième molécule de substrat se lie au complexe ES, donnant lieu au complexe ESS.
En revanche, un inhibiteur compétitif ne peut se lier qu'au produit d'addition d'enzyme du substrat, comme dans le cas précédent: la liaison du substrat à l'enzyme libre induit une modification de conformation rendant le site accessible à l'inhibiteur.
La constante de Michaelis Menten diminue avec l'augmentation de la concentration d'inhibiteur: apparemment, l'affinité de l'enzyme pour le substrat augmente donc.
Protéases à sérine
Ils constituent une famille d’enzymes à laquelle appartiennent la chymotrypsine et la trypsine.
La chymotrypsine est une enzyme protéolytique et hydrolytique qui coupe à droite des acides aminés hydrophobes et aromatiques.
Le produit du gène qui code pour la chymotrypsine n'est pas actif (activé par une commande); la forme non active de la chymotrypsine est représentée par une chaîne polypeptidique de 245 acides aminés. La chymotrypsine a une forme globulaire en raison de cinq ponts disulfures et d'autres interactions mineures (électrostatique, forces de Van der Waals, liaisons hydrogène, etc.).
La chymotrypsine est produite par les cellules du pancréas où elle est contenue dans des membranes spéciales et expulsée par le canal pancréatique de l'intestin, au moment de la digestion des aliments: la chymotrypsine est en fait une enzyme digestive. Les protéines et les nutriments que nous ingérons dans notre régime alimentaire sont digérés pour être réduits en chaînes plus petites, puis absorbés et transformés en énergie (par exemple, l’amylase et la protéase divisent les nutriments en glucose et en acides aminés qui atteignent les cellules, par les vaisseaux sanguins, ils atteignent la veine porte et de là, ils sont acheminés vers le foie où ils subissent des traitements supplémentaires).
Les enzymes sont produites sous une forme non active et ne sont activées que lorsqu'elles atteignent le "site où elles doivent fonctionner"; une fois leur action terminée, ils sont désactivés. Une enzyme, une fois désactivée, ne peut pas être réactivée: pour avoir une action catalytique supplémentaire, elle doit être remplacée par une autre molécule d’enzyme. Si la chimitripsine était produite sous une forme active déjà présente dans le pancréas, elle s’attaquerait à cette dernière: les pancréatites sont des pathologies dues à des enzymes digestives activées déjà dans le pancréas (et non dans les sites requis); certains d'entre eux, s'ils ne sont pas traités à temps, entraînent la mort.
Dans la chymotrypsine et dans toutes les protéases à sérine, l'action catalytique est due à la présence de l'anion alcoolate (-CH2O-) dans la chaîne latérale d'une sérine.
Les sérine protéases prennent ce nom précisément parce que leur action catalytique est due à une sérine.
Une fois que toute l'enzyme a accompli son action, avant de pouvoir être réutilisée sur le substrat, il faut la restaurer avec de l'eau; la "libération" de la sérine par l'eau est l'étape la plus lente du processus, et c'est cette phase qui détermine la vitesse de la catalyse.
L'action catalytique se déroule en deux phases:
- formation d'anions avec des propriétés catalytiques (un anion alcoolate) et attaque ultérieure du carbone carbonyle nucléophile (C = O) avec clivage de la liaison peptidique et formation de l'ester;
- attaque de l'eau avec restauration du catalyseur (capable de ré-exercer son action catalytique).
Les différentes enzymes appartenant à la famille des sérines protéases peuvent être constituées de différents acides aminés, mais pour tous, le site catalytique est représenté par l'anion alcoolique de la chaîne latérale d'une sérine.
Une sous-famille des sérines protéases est celle des enzymes impliquées dans la coagulation (qui consiste en la transformation de protéines, de leur forme inactive à une autre forme active). Ces enzymes rendent la coagulation aussi efficace que possible et sont limitées dans le temps et dans l’espace (la coagulation doit avoir lieu rapidement et ne doit avoir lieu que près de la zone lésée). Les enzymes impliquées dans la coagulation sont activées en cascade (à partir de l'activation d'une seule enzyme, des milliards d'enzymes sont obtenues: chaque enzyme activée active à son tour de nombreuses autres enzymes).
La thrombose est une affection due au mauvais fonctionnement des enzymes de la coagulation: elle est provoquée par l'activation, sans nécessité, des enzymes utilisées dans la coagulation.
Il existe des enzymes modulatrices (régulatrices) et des enzymes inhibitrices pour d'autres enzymes: en interagissant avec cette enzyme, elles régulent ou inhibent son activité; le produit d'une enzyme peut également être un inhibiteur de l'enzyme. Il y a aussi des enzymes qui agissent plus, plus le substrat actuel est grand.
lysozyme
Luigi Pasteur a découvert, par hasard, en éternuant dans une boîte de Pétri, qu'il y avait dans le mucus une enzyme qui peut tuer les bactéries: le lysozyme ; du grec: liso = ça coupe; zimo = enzyme.
Le lysozyme est capable de casser la paroi cellulaire des bactéries. Les bactéries et, en général, les organismes unicellulaires ont besoin de structures résistantes mécaniquement qui limitent leur forme; Dans la bactérie, il y a une très forte pression osmotique, elle est donc appelée eau. La membrane plasmique exploserait s'il n'y avait pas de paroi cellulaire qui s'oppose à l'entrée d'eau et limite le volume de la bactérie.
La paroi cellulaire consiste en une chaîne polysaccharidique dans laquelle alternent les molécules de N-acétyl-glucosamine (NAG) et d'acide N-acétyl-muramique (NAM); le lien entre NAG et NAM rompt avec l'hydrolyse. Le groupe carboxyle de NAM, dans la paroi cellulaire, est engagé dans une liaison peptidique avec un acide aminé.
Parmi les différentes chaînes, des ponts sont formés, composés de pseudo-liaisons peptidiques: la ramification est due à la molécule de lysine; la structure dans son ensemble est très ramifiée, ce qui lui confère une grande stabilité.
Le lysozyme est un antibiotique (tue les bactéries): il agit en faisant une fissure dans la paroi bactérienne; quand cette structure se brise (ce qui est résistant mécaniquement), la bactérie puise de l'eau jusqu'à ce qu'elle explose. Le lysozyme parvient à rompre la liaison glucosidique b-1, 4 entre NAM et NAG.
Le site catalytique du lysozyme est représenté par un sillon qui longe l'enzyme dans laquelle est insérée la chaîne polysaccharidique: six cycles glucosidiques de la chaîne trouvent leur place dans le sillon.
Il y a un goulot d'étranglement à la position trois du sillon: dans cette position, un seul NAG peut être placé, car le NAM, qui est plus grand, ne peut pas entrer. Le site catalytique actuel se situe entre les positions quatre et cinq: s'il y a un NAG en position trois, la coupure aura lieu entre un NAM et un NAG (et non l'inverse); par conséquent, la coupe est spécifique.
Le pH optimal pour le fonctionnement du lysozyme est de cinq. Dans le site catalytique de l'enzyme, c'est-à-dire entre les positions quatre et cinq, se trouvent les chaînes latérales d'un acide aspartique et d'un acide glutamique.
Degré d'homologie : mesure la parenté (c'est-à-dire la similarité) entre les structures protéiques.
Il existe une relation stricte entre le lysozyme et la lactose-synthase.
La lactose synthétase synthétise le lactose (qui est le sucre du lait principal): le lactose est un galactosyl glucoside dans lequel il existe un lien β-1, 4 glucosidique entre le galactose et le glucose.
Par conséquent, la lactose synthase catalyse la réaction opposée à celle catalysée par le lysozyme (qui, au lieu de cela, rompt la liaison β-1, 4 glucosidique).
La lactose synthase est un dimère, c’est-à-dire qu’elle se compose de deux chaînes de protéines, l’une ayant des propriétés catalytiques et comparable au lysozyme et l’autre étant une sous-unité régulatrice.
Pendant la grossesse, les glycoprotéines sont synthétisées à partir des cellules de la glande mammaire par l'action de la galatosyltransférase (homologie de séquence de 40% avec le lysozyme): cette enzyme est capable de transférer un groupe galactosyle d'une structure à haute énergie. à une structure de glycoprotéine. Pendant la grossesse, l'expression du gène qui code pour la galactosisyl transférase est induite (il existe également l'expression d'autres gènes produisant d'autres produits): une augmentation de la taille du sein se produit car la glande mammaire est activée non actif) qui doit produire du lait. Lors de la délivrance, l’α-lactalalbumine est une protéine régulatrice: elle est capable de réguler la capacité catalytique de la galactosyltransférase (pour la discrimination des substrats). La galactosyl-transférase, modifiée par l'α-lactalalbumine, est capable de transférer un galactosyle sur une molécule de glucose: formant une liaison β-1, 4 glycosidique et donnant du lactose (lactose synthase).
Ainsi, la galactose transférase prépare la glande mammaire avant l'accouchement et produit du lait après l'accouchement.
Pour produire des glycoprotéines, la galactosyltransférase se lie à un galactosyle et à un NAG; lors de la naissance, l’albumine lactale se lie à la galactosyltransférase, ce qui lui permet de reconnaître le glucose et non plus le NAG de donner du lactose.
