Chapitre 1: LES ENZYMES.

Des protéines essentielles : les enzymes

Le fonctionnement d’une cellule repose sur des réactions chimiques placées sous le contrôle du programme génétique :  (rappel seconde). Des protéines particulières interviennent dans la réalisation de ces réactions. Ce sont les enzymes.

La Glycémie est une valeur régulée et les apports de glucose circulant se font à la base à partir des sucres de l’alimentation. Ces apports peuvent être des sucres simples voire directement du glucose mais aussi des sucres complexes tels l’amidon de la pomme de terre qui devra donc être hydrolysé par les enzymes digestives. (rappel cours de cinquième : la digestion)

Problème : De quelle manière les enzymes agissent-elles ?

A/ La catalyse enzymatique et les propriétés de cette réaction : les enzymes des catalyseurs biologiques :

1/un exemple classique de catalyse enzymatique : l’hydrolyse de l’amidon (voir tp 1)

L’amidon est le substrat, l’amylase l’enzyme et le maltose puis le glucose les produits de la réaction.

2/Généralisation de la réaction

Réactif=substrat=S         Enzyme =E       Produit=P      Complexe Enzyme Substrat=  [ES]

       S+E  → [ES] → P+E       soit S → P 

La notion de complexe enzyme-substrat a été mise en évidence avec les courbes de vitesse de réaction où le substrat peut être le facteur limitant et où la Vmax montre aussi que l’enzyme peut être le facteur limitant (si on augmente la concentration d’enzyme on augmente la vitesse de réaction tant que le substrat est non limitatif).

Remarque : le facteur limitant : lorsqu’une réaction dépend de plusieurs facteurs, le facteur limitant est celui qui bloque à lui seul toute la réaction car il est dans les conditions les plus défavorables.

3/les propriétés fondamentales des enzymes

Les enzymes sont des protéines qui accélèrent des réactions et qui les rendent possibles dans les conditions compatibles avec la Vie (t°, pH, ...).

Elles ont une spécificité de substrat et de réaction. C'est à dire que chaque enzyme n'est capable d'agir que sur un et un seul substrat avec lequel elle est capable de former un complexe moléculaire rendant possible sont action.

Ex: l'amylase transforme l'amidon = hydrolyse un polymère de glucose en molécules de glucose (en passant par des dimères de glucose) mais elle n'a pas d'action sur le glycogène qui est un autre polymère de glucose. C'est la spécificité de substrat.
De même cette enzyme ne sait pas faire la réaction inverse non plus = polymériser le glucose pour créer de l'amidon : c'est la spécificité d'action.

Une enzyme est un catalyseur biologique très performant dans les conditions cellulaires (à température ambiante une enzyme peut transformer  entre 10 et 10000 molécules de substrat par seconde)

L’enzyme agit à faibles doses.

L’enzyme est conservée et non transformée.

B/ Catalyse enzymatique et facteurs de l'environnement :

1/Action du pH :

Il existe un pH optimal, variable selon l'enzyme considérée. L'enzyme est dénaturée si le pH est « extrême » par rapport au pH optimal : en effet, une variation de pH modifie l'état ionique de l'enzyme (action sur les charges des acides aminés constitutifs ce qui modifie la structure tridimensionnelle de la protéine et donc ses propriétés) et/ou du substrat, ce qui rend impossible l'action de l'enzyme (la formation du complexe enzyme-substrat ne peut se faire).

Lorsque l'on s'écarte du pH optimal, le fonctionnement de l'enzyme s'altère de manière irréversible.
ex: 

2/Action de la température .

Il existe une température optimale : température pour laquelle la vitesse de réaction est maximale. Cette température est généralement voisine de 40°C. Au delà ou en deçà de cette valeur, l'activité enzymatique diminue.

En effet, à basse température, l'enzyme est inactivée car l'agitation moléculaire est limitée. Les molécules d'enzymes et de substrat se rencontrent difficilement. Cet effet est réversible. Par contre, à haute température, l'enzyme est définitivement altérée car une forte température a pour effet de dénaturer une protéine, c'est à dire de lui faire perdre irréversiblement sa conformation spatiale, (ce qui entraîne ici la perte du site actif), ce qui rend impossible la catalyse enzymatique.

3/Explication : configuration de l'enzyme et conditions du milieu :

Les liaisons faibles stabilisant la structure tridimensionnelle de l'enzyme sont relativement fragiles et peuvent être détruites de manière irréversible par de forts écarts de pH et de fortes températures. L'enzyme est dénaturée. (Ex : thermolabile : détruit par la chaleur).

→L'activité de l'enzyme est donc déterminée par l'environnement.

C/ Les mécanismes moléculaires de la catalyse enzymatique

1/ Informations apportées par l’étude de la vitesse des réactions enzymatiques.

La vitesse d’une réaction enzymatique s’exprime en quantité de substrat transformé par unité de temps, ou bien en quantité de produit formé par unité de temps. La vitesse est maximale au début de la réaction et est appelée vitesse initiale = vi. L’étude de la vitesse initiale d’une réaction enzymatique en fonction de la concentration en substrat fait apparaître un plateau de saturation qui suggère l’existence d’une association moléculaire entre l’enzyme et son substrat.
Voir TP3: ⇒ Résultats théoriques

La Vi augmente lorsque la concentration en substrat augmente mais on observe qu'il y a un palier = une Vi max atteinte alors que la concentration en substrat continue à augmenter. 
Cela permet de comprendre que la concentration en substrat est un facteur limitant à la réaction enzymatique.
On interprète ceci par la nécessité de créer un complexe Enzyme / Substrat transitoire permettant à la réaction de se faire.

2/Informations apportées par l’étude de la structure tridimensionnelle des polypeptides enzymatiques.

Il existe dans la structure tridimensionnelle de l’enzyme, une région particulière appelée le site actif, complémentaire d’une région correspondante de la molécule de substrat. Au niveau du site actif, le substrat s’associe (par des liaisons non covalentes) à l’enzyme pour former un complexe enzyme-substrat, étape indispensable à la catalyse enzymatique.

La fonction d’une enzyme est donc liée à sa structure chimique et sa configuration spatiale qui dépend de sa séquence d’acides aminées (donc sous contrôle génétique).

Interprétation de la courbe vi=f([S]) à concentration d’enzyme croissante

3/Modalités de la catalyse enzymatique

Lors d’une réaction enzymatique, une enzyme catalyse une réaction sans subir elle-même de modifications : au terme de la catalyse, l’enzyme est libérée et à nouveau fonctionnelle.

Le site actif de l’enzyme possède deux fonctions : il fixe le substrat spécifique grâce à des acides aminés qui reconnaissent le substrat (ces acides aminés sont appelés acides aminés de liaison, ils appartiennent au site de reconnaissance).

 Il transforme le substrat grâce  des acides aminés qui interagissent avec le substrat. (ces acides aminés sont appelés acides aminés catalytiques, ils appartiennent au site catalytique)

Le site de reconnaissance explique la spécificité de substrat, le site catalytique explique la spécificité d’action.

4/Spécificités enzymatiques 

Spécificité d’action : une enzyme catalyse un type de réaction.

Spécificité de substrat : une enzyme n’agit que sur un substrat (ou plusieurs mais très proches dans leur structure)

Conclusion :

Toute réaction biochimique est catalysée par une enzyme spécifique. Le fonctionnement d'une cellule dépend de l'activité de ces enzymes. Donc le phénotype d'une cellule pour le caractère étudié dépend du fonctionnement de l'enzyme concernée. Les enzymes sont des molécules essentielles dans l'établissement des phénotypes.

Les phénotypes enzymatiques dépendent à la fois du génotype (le génotype, en déterminant la séquence des acides aminés d'un polypeptide, influence la structure spatiale. Or la structure spatiale d'un polypeptide enzymatique comporte un site actif qui conditionne l'activité enzymatique) et de l'environnement (pH et T°C).