ENZYMOLOGIE GENERALEENZYMOLOGIE GENERALE1-Définitions-Définitions-Propriétés particulières des catalyseurs -Nomenclature et classification-Effet du pH-Effet de la température

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Pr Miloud SLIMANIDépartement de BiologieFaculté des SciencesUniversité de Saida (Algérie)

- Définitions :-Les organismes vivants sont le siège d’un grand nombre de réactions biochimiques diverses -Chez tous les organismes vivants, les réactions chimiques du métabolisme sont catalysées par des molécules de nature protéique que l’on appelle enzymes .

-Une enzyme donnée est spécifique d’une réaction, c’est-à-dire qu’elle catalyse toujours la même transformation, se produisant sur les mêmes corps chimiques initiaux.

Macromolécule de nature protéique-produite par les cellules-qui assure la fonction de catalyseur biologique-spécifique de réactions chimiques très variées

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Propriétés particulières des catalyseurs -Catalyseurs biologiques très puissants , diffèrent des catalyseurs chimiques par leurs propriétés: Leur taux de réaction est plus élevé. Les enzymes ont un pouvoir catalytique de 106 à 10 12fois supérieur aux réactions non catalysées, et de plusieurs ordres de grandeur supérieur aux réactions catalysées par des réactifs chimiques .Une molécule de catalase peut hydrolyser 5 millions de molécules d’H2O2 en une min dans des conditions de pH et de température physiologiques-Elles augmentent la vitesse des réactions chimiques, sans en modifier l’équilibre Les réactions enzymatiques se déroulent dans des conditions physiologiques (pH:7,4 et température :37°C).

Déroulement de la réaction

Les enzymes abaissent l’énergie d’activation

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- Les réactions enzymatiques sont très spécifiques, à la fois pour le substrat et pour le type de réaction.Spécificité de substrat :Elle est liée à la structure tridimensionnelle de la molécule de substrat Spécificité de réaction :Pour un substrat donné, une enzyme donnée ne catalyse qu’une seule réaction sur l’ensemble de celle qui est possible. Spécificité de fonction :Elles agissent sur un substrat possédant la même fonction chimique (l’alcool déshydrogénase catalyse la déshydrogénation de l’éthanol mais aussi d’autres alcools). La spécificité enzymatique est due à un complément moléculaire entre le substrat et une région particulière de l’enzyme appelé, le centre actif

Ne sont pas consommées au cours de la réaction: comme les catalyseurs chimiques, elles se retrouvent intactes à la fin de la réaction :la structure de l’enzyme se retrouve inchangée.

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Modulabilité:L’activité d’une enzyme est contrôlée par des modulateurs :Les activateurs augmentent l’activité.Les inhibiteurs la diminuent.Cette modularité permet d’ajuster la vitesse globale d’un métabolisme au besoin cellulaireExemple : La phosphofructokinase est activée par l’AMP et inhibée par l’ATP.Cette modulation active ou inhibe la glycolyse selon que la charge énergétique est faible ou élevée.Substrat (S): est la molécule qui entre dans une réaction pour y être transformée grâce à l’action catalytique d’une enzyme. Produit (P) :la nouvelle molécule qui apparaît au cours d’une réaction catalysée par une enzyme est appelée produit.

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Il existe quatre types d’enzymes possibles :_ Protéine enzymatique seule._ Apoenzyme + coenzyme._ Apoenzyme + ion._ Apoenzyme + coenzyme + ion. Apoenzyme + Coenzyme = Holoenzyme

Le terme holoenzyme :est l'assemblage du cofacteur (qui peut être un ion métallique, ou une molécule organique) et d'une ou plusieurs chaînes protéiques, formant ainsi une enzyme complète et active. L'holoenzyme est donc le complexe enzymatique catalytiquement activé par ses cofacteurs. La partie protéique de l'enzyme est alors nommée apoenzyme et la partie non protéique coenzyme .Lorsque la partie non protéique est un ion métallique (oligo-élément) , le complexe est alors nommé métalloprotéine.

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Co-facteurs:Corps chimique intervenant dans une réaction enzymatique :- pour transporter ou compléter un substrat ;- pour accepter un produit ;- comme participant à la structure de l’enzyme.

Plusieurs enzymes ont besoin de co-facteurs pour agir.Co facteur métallique être des ions (Fe2+, Mg2+, Zn2+ de l’anhydrase carbonique., etc) qui sont indispensable à l’activité enzymatique :_ Soit parce qu’il est responsable de la stabilité de la structure tertiaire de l’apoenzyme._ Soit parce qu’il intervient dans la fixation du substrat._ Soit parce qu’il participe directement à la catalyse.

Enzyme Anydrase carbonique , la présence d’une atome de Zn est indispensable à son activité

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Certains cofacteurs sont des molécules plus complexes synthétisées par les cellules : nous les appellerons coenzymes.

Les coenzymes sont des molécules organiques qui sont cofacteurs de certaines protéines enzymatiques avec lesquelles ils forment souvent un complexe stable. La protéine seule est appelée apoenzyme, associée à son ou à ses coenzymes, on parle d'holoenzyme. En général, seule l'holoenzyme est catalytiquement fonctionnelle. Les coenzymes sont en général impliqués directement dans la catalyse, par exemple au travers de réactions de transfert d'électron, de proton, de groupements fonctionnels ou encore sont impliqués dans le transport du substrat entre sites actifs. Il y a deux familles de coenzymes :

- ceux qui ne sont que transitoirement liés à l’enzyme et que l’on considère alors comme des co-substrats,

- ceux que l’on nomme groupes prosthétiques et qui sont liés de façon covalente à la protéine.

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Cofacteurs:

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Principe général :Comme pour toute protéine, un mécanisme enzymatique commence par la fixation d’un substrat (ligand) par des liaisons faibles sur une zone particulière de l’enzyme, dite site de fixation.• A ce site, le substrat est transformé en produit, puis celui-ci est libéré.Le site de fixation du substrat est dit site actif.Ligand :Corps chimique ayant une liaison spécifique avec une enzyme

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Fixation d’un ligand• La fixation du ligand s’effectue par des interactions faibles entre les fonctions portées par celui-ci et des restes d’aminoacides ou des cofacteurs.Le substrat est immobilisé dans son site de fixation : il y a donc unminimum de 3 groupes• Cette fixation implique que le site de fixation aie, en creux, uneforme voisine de celle du substrat.Lorsque celui-ci se fixe, l’ajustement induit lui permet d’acquérirexactement sa forme.

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Le site actif d’une enzyme est la région tridimentionnelle qui se lie au substrat , une petite zone privilégiée de la protéine enzymatique dont la géométrie a une importance considérable sur la spécificité, il est situé dans une zone hydrophobe dans la partie interne de la structure. Il assure deux fonctions :

-fixation du substrat ( site de fixation , de reconnaissance) est constitué de certains Acides aminés qui sont associés avec l’orientation du substrat , et donc, avec la spécificité de l’enzyme ,responsable de la stéréospécificité.

-transformation du substrat ( site catalytique ) est constitué des résidus qui sont directement impliqués dans la formation et rupture des liens chimiques. Cesrésidus sont souvent localisés dans le fond de la cavité, et dans la majorité des cas, possèdent des chaînes latérales ioniques ou réactives (ex. His, Lys, Cys, Ser, Asp, Glu). -Les autres AA sont qualifiés d'auxiliaires, de collaborateurs ou de non collaborateurs selon leur degrés d'intervention dans l'acte catalytique

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Deux modèles pour expliquer la spécificité des enzymes:La complémentarité stérique entre l’enzyme et son substrat est a l’origine de cette spécificité et que les enzymes et les substrats se reconnaissent comme une clé s’adapte dans une serrure

Forme induite: l’enzyme change sa conformation lors de la liaison du substratAjustement induit ---------dynamique-lors de la fixation de substrat, l’enzyme change de conformation Suppose que l’enzyme a une structure flexible

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NomenclatureLes enzymes sont classifiés selon la réaction qu'ils catalysent. Ils sont désignés par un nom commun (carboxypeptidase A), un nom systématique (peptidyl-L-amino acide hydrolase) et un numéro de classification (EC « Enzyme Commission

Numérotation conventionnelle:

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Les six classes d'enzymes:

1: Les oxydoréductases, qui catalysent des transferts d'électrons;

2: Les transférases, qui catalysent les transferts de groupements;

3: Les hydrolases, qui catalysent des réactions d'hydrolyse;

4: Les lyases, qui catalysent l'addition de groupes a des liens doubles ou l'inverse;

5: Les isomérases, qui catalysent le transfert de groupes dans une même molécule pour produire des formes isomères (la conversion d'un acide amine L en acide amine D' par exemple);

6: Les ligases, qui forment des liens C-C, C-S, C-O et C-N lors de réactions de condensation couplées a l'utilisation d'ATP.

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EC 1 : oxydo –réductases :les oxydo-réductases sont des enzymes catalysant les réactions d‘oxydo-réduction en transférant les ions H+ et des électrons.Elles sont associées à des coenzymes d'oxydoréduction (NAD, FAD, FMN...). Une enzyme catalysant une réaction du type :A– + B → A + B–

est par exemple une oxydoréductase. Dans cet exemple, A est le réducteur (donneur d'électron) et B l'oxydant (accepteur d'électron).Les oxydoréductases sont classées EC 1 dans la nomenclature EC des enzymes. Les oxydoréductases peuvent être ensuite divisées en sous-classes :

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1.1.1avec le NAD +ou le NADP + comme accepteur d’hydrogène exemples : EC 1.1.1.67 Mannitol : NAD oxydoréductase = Mannitol DH Mannitol + NAD -------- Fructose + NADH

1.1.2avec un cytochrome comme accepteurexemples : EC 1.1.2.3 L - Lactate : ferricytochrome c oxydoréductase = Lactate DHLactate + 2 Cyt c Fe3+ ------- Pyruvate + 2 Cyt c Fe2+

1.1.3avec O2 comme accepteur d’hydrogéneexemples : glucose oxydase ou B-D-glucose :oxygéne –oxydoréductase(1.1.3.4)

•EC 1.2 :les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs aldéhyde ou cétone

•1-2-1 : avec le NAD + ou le NADP + comme accepteur •Exemples D-glycéraldéhyde -3- phosphate : NAD –oxydoréductase (1.2.1.12)•1-2-3 : avec O2 comme accepteur•Exemples Xanthine : oxygène oxydoréductase (1.2.3.2)

•EC 1.1:les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs CH-OH (alcool oxydoréductase) :donneur d’hydrogène

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•EC 1.3 :les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs CH-CH (CH-CH oxydoréductases) -1-3-1 avec le NAD + ou le NADP +comme accepteur Exemples 4,5 dihydro-uracile : NAD oxydoréductase (1.3.1.1.1)-1-3-2 avec le un cytochrome accepteur -1-3-3 avec O2 comme accepteur Exemples 4,5 dihydro-orotate : oxygène oxydoréductase (1.3.1.1.1)

•EC 1.4 :les oxydoréductases qui agissent sur les groupes donneurs CH-NH2 (acide aminé oxydoréductases , monoamine oxydase)-1-4-1 avec le NAD + ou le NADP + comme accepteur Exemples L-glutamate :NAD oxydoréductase (1.4.1.2)

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EC 2 :Transférases une transférase est une enzyme dont le rôle est de catalyser le transfert d'un groupe fonctionnel (par un exemple un groupe éthyle ou phosphate) d'une molécule (appelée donneur) à une autre (appelée accepteur). Par exemple, une enzyme catalysant la réaction suivante sera une transférase:A–X + B → A + B–XDans cet exemple, A est le donneur et B l'accepteur. Il est courant que le donneur soit un coenzyme.Les transférases sont classées EC 2 dans la nomenclature EC. Elles peuvent ensuite être classées dans neuf sous-classes :

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•EC 2.1 qui regroupe les enzymes transférant un groupe à un carbone (méthyltransférase) (exemples :S-adénosyl-méthionine- :L-homocyctéine S-méthyl transférase (2.1.1.10)

•EC 2.2 qui regroupe les enzymes transférant un groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone)

•EC 2.3 qui regroupe les acyltransférases

EC 2.4 qui regroupe les glycosyltransférases

EC 2.6 qui regroupe les enzymes transférant un groupe azoté (transaminase)

EC 2.7 qui regroupe les enzymes transférant un groupe phosphoré (phosphotransférase, mais aussi polymérase et kinase)

EC 2.8 qui regroupe les enzymes transférant un groupe sulfuré (sulfurtransférase et sulfotransférase

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EC 3 Les hydrolases :Exemples lipase ou glycérol-ester hydrolase(3.1.1.3)constituent une classe d'enzymes qui catalysent les réactions d'hydrolyse de molécules suivant la réaction générale :R-R' + H2O ⇌ R-OH + R'-HEC3.1 (estérases) qui hydrolysent les esters (R-CO-O~R'), -EC 3.1.1 : Hydrolases spécifiques des esters carboxyliques -EC 3.1.2 : Hydrolases spécifiques des thioesters -EC 3.1.3 : Hydrolases spécifiques des liaisons monoester-phosphoriques •EC3.2 (glycosylases) qui hydrolysent les oligo- ou polysaccharides (sucre1-O~sucre2),EC 3.2.1 : Glycosidases (enzymes agissant sur autant sur les liaisons O-glycosidiques que sur les liaisons S-glycosidiques)EC 3.2.2 : Hydrolases spécifiques des liaisons N-glycosidiquesEC3.4 (peptidases), qui hydrolysent les liaisons peptidique (AA1-CO~NH-AA2) EC 3.4.11 : Aminopeptidases

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EC 4 lyases : une lyase est une enzyme qui catalyse la rupture de différentes liaisons chimiques par des moyens autres que l'hydrolyse ou l'oxydation, formant ainsi souvent une nouvelle liaison double ou un nouveau cycle.

Les lyases diffèrent des autres enzymes, en ce sens qu'elles ne nécessitent qu'un réactif dans le sens direct de la réaction, mais deux dans le sens inverse:Réaction: A ↔ B + C

Les lyases sont classées EC 4 dans la nomenclature EC de classification des enzymes. catalysent la rupture des liaisons C-C, C-N, C-O, C-S. Les lyases peuvent être ensuite classée dans sept différentes sous-catégories :

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•EC 4.1 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbone-carbone: les décarboxylases (EC 4.1.1), les aldolases (EC 4.1.2), oxacide lyases (EC 4.1.3)

• EC 4.2 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbone-oxygène; comme les déhydratases

•EC 4.3 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbone-azote, comme la phénylalanine ammonia-lyase

EC 4.4 qui regroupe les lyases qui coupent les liaisons carbone-soufre

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EC 5 isomérases : est une enzyme qui catalyse les changements au sein d'une molécule, souvent par réarrangement des groupements fonctionnels et conversion de la molécule en l'un de ses isomères . Ces isomérases comprennent des racémases qui catalysent la transformation d’une forme D en forme L.•Les isomérases catalysent des réactions du type :•A → B où B est un isomère de ALes isomérases sont regroupées dans la classe EC 5 dans la nomenclature EC. Elles sont ensuite réparties dans six sous-classes :

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•EC 5.1 qui regroupe les enzymes qui catalysent des réactions de racémisation (racémases et d'épimerisation (épimérases)

•EC 5.2 qui regroupe les enzymes qui catalysent les réactions d'isomérisation cis-trans (cis-trans isomérases)

•EC 5.3 qui regroupe les oxydo-réductases intramoléculaires

EC 5.4 qui regroupe les transférases intramoléculaire (mutases

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EC 6 ligases: est une enzyme qui catalyse la jonction de deux molécules par de nouvelles liaisons covalentes avec hydrolyse concomitante de l'ATP ou d'autres molécules similaires.Les ligases sont classées EC 6 dans la nomenclature EC des enzymes. Cette classe peut ensuite être divisée en six sous-classes :•EC 6.1 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-oxygène•EC 6.2 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-soufre

•EC 6.3 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-azote

•EC 6.4 : regroupe les ligases qui forment des liaisons carbone-carbone

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Les enzymes sont des protéines constituées d’acides aminés pouvant porter des fonctions chimiques sensibles aux variations de pH. Ces fonctions chimiques peuvent se protonner ou se déprotonner selon le pH du milieu dans lequel se trouve l’enzyme. Les enzymes auront par conséquent des pH optimaux différents, selon leur structure et la nature de leur site actif. La pepsine a un pH optimal de 1,5, approprie pour un enzyme gastrique; la trypsine intestinale a plutôt un pH optimal de 7,7.

Effet du pH

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Effet de la température -Une augmentation de la température:- augmente la vitesse de la réaction chimique-augmente la vitesse de dénaturation de l’enzyme (une protéine), diminuant ainsi son activité catalytique-A températures élevées, fluctuations importantes de la structure 3D de la protéine avec perte de structure tertiaire : dénaturation thermique, souvent irréversible.

La somme de ces deux effets donne une courbe caractéristiquede l’activité enzymatique température qui passe par un maximum, montrant ainsi l'existence d'une température optimale.

Activation

Dénaturation

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Références

-ANTONIOTTI .S, cours de biocatalyse ,2007-BECKER H ; Eléments de biochimie : Notions d’enzymologie ,h.becker@ibmc.u-strasbg.fr-BENDAVID .C,2009, Enzymes et coenzymes -CHIBRAOUI Layachi et KABBACH Wafae, Enzymologie, 2011-2012-COLLAS .Ph : Enzymologie théorique-CORNISH-BOWDEN .A , JAMIN.M et SAKS.V , cinétique enzymatique ,2005DELAHAYE .A, Enzymologie, http://www.arnobio2.com-KEILLOR.J.W, Inhibitions des réactions enzymatiques ,2004 -PAPY –GARCIA.D et GARRIGUE ANTAR.L , Cinétique enzymatique-RAISONNIER .A, 2002,Enzymologie élémentaire-TOUSSAINT B., Les enzymes,2011-WEINMAN .S et MEHUL.P , Toute la biochimie, ed. Dunod, Paris, 2004