IV Des protéines fondamentales du vivant : les enzymes YLe métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques se déroulant dans une cellule

Les enzymes sont des protéines fondamentales du vivant, elles sont nos outils, nos ouvriers qui réalisent les réactions chimiques du métabolisme Ce sont des catalyseurs biologiques, ils favorisent le déroulement des réactions chimiques cellulaires

Ø Doc. 2 page 125

Par exemple, nous avons vu l’ADN polymérase, l’ARN polymérase et les enzymes impliqués dans l’exemple du système ABO : les enzymes mobilisés sont des transférases

1. La digestion du lactose

a) La digestion : des aliments aux nutriments Le lait un aliment complet :

Le principal glucide du lait est le lactose : un « dioside » constitué de 2 glucides simples

ALIMENTS = mélange de molécules complexes GLUCIDES LIPIDES PROTIDES Actions successives des enzymes

protéases lipases amylases… (+ action des bactéries du microbiote)

NUTRIMENTS (petites molécules capables de passer dans le sang à travers la paroi intestinale)

FECES (matière non digérée + bactéries)

b) La digestion du lactose

Des expériences réalisées montrent que la digestion du lactose est assurée par une enzyme : la lactase (doc page 124 : un autre exemple, l’amylase qui hydrolyse l’amidon)

On a modélisé les conditions de la digestion du lactose dans l’intestin :

On compare avec un dispositif témoin, sans lactase, avec eau distillée On teste la présence de glucose avec un gluco-test ; RESULTATS : Avec lactase, on note l’apparition de glucose dans le lait, puis dans l’eau Dans le dispositif témoin, le test reste négatif.

YEn présence de lactase le lactose est décomposé en 2 sucres simples : galactose et glucose.

c) La lactase

• Visualisation 3D (libmol) Colorée par acides aminés

Le lactose est « niché » au sein de l’enzyme dans une zone déterminée, de forme parfaitement complémentaire : le site actif

Les AA qui délimitent le site actif établissent des interactions chimiques avec le lactose, le positionnent pour faciliter l’hydrolyse

• Schématisation

Le lactose se fixe de façon spécifique sur la lactase au niveau di site actif : Formation du complexe enzyme-substrat Le lactose est hydrolysé en produits :

Galactose + glucose

L ‘enzyme facilite le déroulement de la réaction : c’est un catalyseur biochimique

2. La réaction enzymatique a) Les enzymes sont des catalyseurs biochimiques Ils accélèrent la réaction chimique Y Les enzymes sont des protéines (pour la plupart globulaires), produites par les cellules, capables de catalyser* des réactions chimiques dans des conditions compatibles avec la vie. *Ils augmentent la vitesse des réactions chimiques, à faibles concentrations, sans être modifiés par la réaction (dégradations, synthèses…) Le substrat est la molécule qui entre dans une réaction pour y être modifiée par l’action d’une enzyme.

E + S ó complexe ES à E +Produits

b) Caractéristique de la réaction enzymatique : On pourra étudier la disparition du substrat ou l’augmentation de la concentration des produits

Phase pré-stationnaire

La concentration Enzyme-Substrat ([ES]) augmente rapidement.

Phase stationnaire

Le Substrat disparaît symétriquement à l’augmentation des Produits. [ES] reste stable Il y un nombre constant d’enzymes dans un milieu. Aucune d’entre elle n’étant jamais consommée lors de la catalyse, il y aura donc un nombre constant de complexes [ES] formés, tant que la concentration en substrat est supérieure ou égale à celle d’enzymes

Phase post-stationnaire

La concentration en substrat devient inférieure à celle de l’enzyme Passé ce seuil, le nombre d’enzymes inactives augmentera, tandis que le nombre d’enzymes actives diminuera

V : ∂[P]/∂[T]

L’étude de l’évolution de la concentration de produit (ou de substrat = symétrique) en fonction du temps permet de calculer la vitesse de réaction.

YPlus le substrat disparaît plus la vitesse de réaction diminue

3) Les conditions de la réaction enzymatique a) La spécificité enzymatique (Page 128) On teste l’activité d’une enzyme, la glucose oxydase qui, en présence d’O2, transforme le glucose. La diminution d’O2 dans le milieu témoigne de l’efficacité de la réaction

On constate que seul le glucose est transformé par l’enzyme

Ces 3 molécules présentent une conformation spatiale différente, seul le glucose peut se fixer sur le site actif !

Revenons à notre exemple sur la lactase : temps de ½ réaction : (vitesse max/2)

La réaction est plus lente avec le thiolactose alors que la géométrie est similaire ! S’il peut se fixer sur le site actif, il ne peut être transformé : le site catalytique est bloqué. YIl existe donc une double spécificité : - de reconnaissance et - de réaction Doc 2 page 129

La vitesse initiale = vitesse maximale = vitesse au début de la réaction Tous les sites actifs sont occupés

B : le substrat, dans le site actif avec les molécules d’eau. Les acides amines du site actif assurent : le positionnement du substrat et sa fixation ; le guidage des molécules d’eau ; la réaction d’hydrolyse ; et la libération des produits.

Le thiolactose, bien qu’il puisse se fixer sur le site actif ne peut être hydrolysé. Il entre en compétition avec le lactose : il mobilise des enzymes et ralentit la réaction. Remarque : si la partie non impliquée dans le site actif est différente, fixation et réaction pourront se réaliser

A

Pour qu’une enzyme soit fonctionnelle elle doit adopter une forme spécifique (qui dépend de sa séquence) qui ménage - son site actif, permettant la fixation du substrat et la formation du complexe enzyme-substrat - sa zone catalytique qui assure le déroulement de la réaction

b) L’influence de la concentration en substrat (doc Page 126) Dans le document du livre, on observe la vitesse de disparition du substrat, on peut de la même façon étudier l’apparition des produits

YPlus la concentration en substrat augmente plus la vitesse de réaction augmente jusqu’à la vitesse max qui correspond à la saturation des enzymes présents.

Doc. 3 page 127 : concentration en enzyme.

c) L’influence d’autres facteurs : T°, pH… (limite programme à exercice pour réfléchir !) Prenons des exemples :

Substrat

- en fonction de la température : activité enzymatique et milieu de vie

Les enzymes sont adaptés aux conditions de fonctionnement des cellules des organismes. Activité enzymatique de la lactase en fonction du temps et de la température

Aux basses températures elles sont inactivées, de façon réversible

Après 15 minutes à 0°, l’enzyme retrouve son activité

Alors qu’aux hautes températures elles sont dénaturées* de façon d’autant plus irréversible que la T° est élevée.

Après 15 minutes à 80°C, l’enzyme ne retrouve pas son activité

Les hautes températures entraînent la rupture des liaisons chimiques entre les AA et donc la perte de la forme de la protéine donc de sa fonction.

La température optimale d’activité des enzymes - humaines = 37°C : T° du corps - poissons polaires = 10°C : T° d’environnement des cellules

. - en fonction du pH : les enzymes digestives.

L’amylase salivaire agit de façon optimale à pH neutre, pH de la salive La pepsine agit à pH acide, pH de l’estomac acidifié par l’acide chloridrique. La trypsine agit à pH plus basique, pH du duodénum. YLe pH optimal correspond à l’environnement d’action des enzymes.

Mais que se passe-t-il dans les différents types de cellules ?

3. Enzymes et spécialisation cellulaire (Page 130) Toutes les cellules de notre organisme proviennent de la cellule œuf par mitoses successives mais aussi différenciation. Toutes nos cellules ne réalisent pas les mêmes fonctions. Chacune de nos cellules contient l’ensemble de notre patrimoine génétique : 46 chromosomes hérités de nos parents sur lesquels on compte environ 25 000 gènes. Mais si toutes nos cellules contiennent la même information, elles n’en font visiblement pas toutes le même usage : une cellule de la peau ne ressemble en rien à un neurone, une cellule du foie n’a pas les mêmes fonctions qu’une cellule du cœur. Cette spécificité est, entre autres, due à leur équipement enzymatique YOn appelle équipement enzymatique l’ensemble des enzymes présents à un instant donné dans la vie d’une cellule. Ils vont permettre de réaliser un certain nombre de réactions biochimiques en les catalysant. L’équipement enzymatique peut varier au cours du temps mais il peut aussi surtout varier d’une cellule à une autre par exemple dans le corps humain. Il peut aussi varier d’un individu à un autre.

- Il existe des enzymes ubiquitaires, c’est-à-dire qu’on trouve dans toutes les cellules ou presque de notre organisme. C’est le cas de l’ADN polymérase qui est l’enzyme impliqué dans la réplication de l’ADN à l’intérieur du noyau des cellules.

- Il existe des enzymes spécifiques, c’est-à-dire qu’on va trouver uniquement dans certains organes ou certains tissus et qu’on ne trouvera quasiment pas ailleurs. C’est le cas de la lactase, impliquée dans la digestion du lactose, enzyme caractéristique du tube digestif, qu’on ne trouve pas dans les neurones ou dans les cellules musculaires.

YAutrement dit, la différenciation cellulaire, qui permet au corps d’avoir différents tissus et différentes cellules différenciées dans différentes fonctions, repose sur une utilisation du patrimoine génétique qui permet entre autres de produire un panel d’enzymes très large et ensuite de jouer des rôles différents dans chacune de ces cellules. La différenciation et la spécialisation cellulaire reposent donc en partie sur l’équipement enzymatique. Les enzymes sont des protéines, donc codées par des gènes, or nous possédons tous les mêmes gènes ! « Actif ou inactif, allumé ou éteint, exprimé ou réprimé : différents champs sémantiques sont couramment utilisés pour définir l’état d’un gène. Ils font tous référence au même phénomène : Un gène est un segment d’ADN qui contient l’information nécessaire à la synthèse d’une ou de plusieurs molécule(s) qui constitue(nt) le protéome, support des caractères de notre organisme. Le gène est dit actif/allumé/exprimé lorsque cette synthèse a lieu. Sinon, il est inactif/éteint/réprimé. Mais évidemment, l’expression génétique n’est pas un processus fait de noir et blanc : il existe plein de niveau gris, avec par exemple des gènes très actifs, surexprimés (synthèse importante) ou encore partiellement réprimés (synthèse très faible) … » (INSERM) Ces variations d’expression sont contrôlées par - la chronologie du développement - l’environnement cellulaire - l’environnement de l’organisme Alors que la génétique correspond à l’étude des gènes, l’épigénétique s’intéresse à une "couche" d’informations complémentaires qui définit comment ces gènes vont être utilisés par une cellule… ou ne pas l’être. En d’autres termes, l’épigénétique correspond à l’étude des changements dans l’activité des gènes, n’impliquant pas de modification de la séquence d’ADN et pouvant être transmis lors des divisions cellulaires. Contrairement aux mutations qui affectent la séquence d’ADN, les modifications épigénétiques sont réversibles.

Ces modifications d’activité peuvent aussi être dues à une atteinte irréversible de l’ADN, transmissibles si elles touchent les cellules germinales : les mutations Quelle est nature et la conséquence de ces mutations ? DM : L’intolérance au lactose Exercice 6 page 141+ compléments.