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Rgulation de l'activit enzymatique.

Les organismes doivent tre capables de moduler l'activit enzymatique

cellulaire de faon pouvoir s'adapter aux changements mtaboliques. De cette

faon, les enzymes peuvent coordonner les voies mtaboliques, en rponse

l'environnement. Les deux moyens principaux sont :

1 - Le contrle de la quantit d'enzyme. La quantit d'enzyme dans une

cellule est dpendante du taux de synthse de l'enzyme et de son taux de

dgradation. Des systmes complexes de rgulation de la transcription et/ou de la

traduction des gnes codant pour des enzymes ont t dvelopps durant

l'volution et modulent la quantit d'enzyme en rponse des conditions

physiologiques changeantes. Par exemple, l'enzyme qui permet l'hydrolyse du

lactose n'est synthtise que lorsque le milieu de culture contient du lactose.

2 - Le contrle de l'activit enzymatique. L'activit catalytique des enzymes

peut tre directement modifie par des altrations structurales et

conformationnelles. Ainsi, la modulation de l'affinit de l'enzyme pour son substrat

permettra de changer le taux de catalyse. L'affinit d'association peut tre change

par la prsence de protines ou de sous-units rgulatrices, par une modification

covalente (en gnral une phosphorylation), une activation protolytique et/ou une

rgulation allostrique.

Dans la rgulation allostrique, un mtabolite de la voie ractionnelle peut se

fixer de faon non-covalente l'enzyme et ainsi moduler son activit catalytique.

Ainsi, dans ces systmes multi-enzymatiques, le produit final de la chane de

ractions sert d'inhibiteur spcifique une enzyme du dbut de la chane.

Le taux de catalyse dans la cascade est dtermin par la concentration du

produit final, dans un phnomne appel rtro-inhibition. L'enzyme ainsi module

est appele enzyme allostrique. L'enzyme allostrique possde un site actif et un

site modulateur sur lequel vient se fixer l'effecteur. Les enzymes allostriques sont

en gnral complexes, formes de plusieurs sous-units, rgulatrices et catalytiques.

Substrat

Site actif

Site

modulateur

Effecteur

Changement conformationnel

Sous

unit Interaction

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Exemple, laspartate transcarbamoylase (ATCase)

L'ATCase catalyse la formation de N-carbamoyl aspartate partir de

carbamoyle phosphate et d'aspartate.

C'est la premire tape dans la cascade de synthse du nuclotide cytidine

triphosphate (CTP). L'ATCase est constitue de 6 sous-units rgulatrices et de 6

sous-units catalytiques.

L'analyse cintique de l'activit

enzymatique a montr 3 caractristiques :

1) La cooprativit positive du

substrat, c'est--dire que la fixation d'un

premier substrat dans un des 6 sites actifs

de l'enzyme facilite la fixation du substrat

dans les 5 autres sites actifs. Ceci gnre

une courbe sigmode voir la cintique

de la page suivante. Ainsi, une faible

augmentation dans la concentration du

substrat provoque une forte augmentation

du taux de catalyse. Plus la cooprativit

2.06 2.62 4.25 18.0 90%

0.69 0.61 0.47 0.22 10%

n=4 n=3 n=2 M-M Michaelis Vmax

Degr de cooprativit

[S]

ACTase catalyse la raction entre le phosphate de carbamoyle (CP) et de L-aspartate

afin de former la N-carbamoyl-L-aspartate (CA) et du phosphate inorganique (Pi).

Vraisemblablement, la raction se droule via un intermdiaire ttradrique.

Lanalogue deux substrats N-phosphonactyl-L-aspartate (PALA), possdant un

grand nombre de loci de liaison de l'intermdiaire ttradrique, est un puissant

inhibiteur de l'enzyme.

Analogue de

ltat de

transition

intermdiaire ttradrique

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est importante (n >1), plus restreinte en gamme de concentration S sera la rponse

cintique (10% 90% en Vmax)

La courbe hyperbolique correspond celle de la cintique michaelienne (n=1)

tandis que les courbes sigmodes montrent la cintique correspondante lenzyme

sous forme de dimre (n=2), trimre (n=3), et ttramre (n=4).

2) Une rgulation allostrique (rtro-

inhibition) par le nuclotide CTP. CTP

rduit le taux de catalyse.

3) Une rgulation positive par le

nuclotide ATP, qui augmente le taux de

catalyse. Il semble que lATP

comptitionne avec le CTP pour se fixer au

site modulateur.

L'interaction allostrique change la

conformation des sites de liaison du substrat.

Selon la thorie de l'allostrie, chaque sous-

unit catalytique peut exister sous une

forme T (basse affinit pour le substrat) ou

sous forme R (haute affinit pour les

substrats ou des analogues comme phospho-

noacetamide (PAM) et malonate (MAL)).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

90%

[S]

Vmax

10%

Vit

ess

e Courbe

Hyperbolique

Courbes sigmodes

KM

n = 1 monomre n = 2 sous-units n = 3 sous-units n = 4 sous-units

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Lors de la transition T R, la sparation entre les trimres catalytiques et

par les sous-units rgulatrices est de 12 et 4 respectivement le long de l'axe 3

et elle est couple une lgre rorientation des trimres et des sous units

rgulatrices.

- NB : la transition T R conserve la symtrie D3 du complexe

Le CTP maintiendrait les sous-units l'tat T (inhibition), alors que l'ATP

les maintiendrait l'tat R (stimulation) - voir la cintique rsultante de lATCase

en prsence de lATP, du CTP, et sans effecteur allostrique ci-bas.

Les deux tats sont dus une transition de la structure quaternaire de

l'enzyme qui modifie la structure du site actif et ainsi change la capacit de liaison

du substrat et sa catalyse.

Les changements tertiaires (dans une sous-unit) et quaternaires (entre les

sous-units) manifests ne sont pas indpendants; ils sont fortement coupls d

des contacts troits entre sous-units.

Ltat T et R reprsentent un quilibre contrl par la force de la liaison de

chacun des ligands. Voir la comptition de liaison entre les analogues de substrat,

phosphonoacetamide et malonate (ltat R de prfrence), et linhibiteur CTP

(ltat T de prfrence) en prsence dATCase.

Deux modles expliquent cette transition : le modle concert (ou

symtrique) et le modle squentiel.

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Dans le modle concert, toutes les sous-units d'une enzyme doivent

conserver la symtrie molculaire et par consquent elles sont toutes en mme

temps au mme tat T ou R, un moment prcis. L'enzyme globale existe donc

sous forme T ou R, puisque cest seulement dans cette configuration qu'il y a la

conservation de symtrie par toutes les sous-units. Ainsi, la fixation du substrat

dans un premier site actif provoque une transition telle que toutes les sous-units

de l'enzyme deviennent sous forme R et ceci reprsente ltat de comptence

catalytique. Leffecteur se lie ltat T ou R de prfrence et ainsi exerant son

rle dinhibiteur ou dactivateur.

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Dans le modle squentiel, chaque sous-unit la possibilit d'tre sous

forme R ou T, indpendamment des autres sous-units. L'enzyme est constitue

d'un mlange de sous-units sous forme T et R. La liaison d'un premier substrat

change la structure de la sous-unit laquelle il sest fix (R), alors que les autres

sous units acquirent une affinit intermdiaire entre celles observes l'tat T et

R.

La liaison du ligand induit donc progressivement des changements

conformationnels dans les sous-units, les changements les plus importants se

produisant au niveau des sous-units qui ont li le ligand. Le couplage entre les

sous-units nest pas ncessairement assez fort pour prserver la symtrie de

loligomre comme cest le cas dans le modle symtrique.