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Caractéristiques et mécanismes enzymatiques

10 cards

Ce document détaille les propriétés des enzymes, leurs mécanismes d'action, leur régulation, ainsi que leurs applications en biologie clinique et médicale.

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Question
Qu'est-ce qu'un substrat (S) ?
Answer
Le substrat est une molécule qui entre dans une réaction catalysée par une enzyme pour être transformée en produit.
Question
Comment les enzymes affectent-elles l'énergie d'activation ?
Answer
Les enzymes diminuent l'énergie libre d'activation (ΔG*) d'une réaction, augmentant ainsi sa vitesse, mais ne modifient pas l'état d'équilibre.
Question
Décrivez le modèle 'clé-serrure' des enzymes.
Answer
Le modèle de Fisher propose une complémentarité de forme parfaite entre le substrat et le site actif de l'enzyme libre, un modèle statique.
Question
Qu'est-ce que le modèle de l'adaptation induite ?
Answer
Le modèle de Koshland explique que le site actif de l'enzyme et le substrat subissent des changements de conformation pour une complémentarité optimale.
Question
Quels sont les deux types de cofacteurs enzymatiques ?
Answer
Les cofacteurs sont de deux types : les coenzymes (composés organiques) et les ions métalliques (qui aident au positionnement du substrat).
Question
Qu'est-ce qu'un groupement prosthétique ?
Answer
C'est une coenzyme liée de manière forte et stable à l'enzyme, indispensable à son activité (ex: Hème).
Question
Quelles sont les 6 classes d'enzymes ?
Answer
Les 6 classes sont les oxydoréductases (EC1), transférases (EC2), hydrolases (EC3), lyases (EC4), isomérases (EC5) et ligases (EC6).
Question
Qu'est-ce qu'une enzyme ?
Answer
Une enzyme est un catalyseur de réaction chimique dans un milieu biologique, essentiel à toutes les réactions biochimiques in vivo.
Question
Quel est le rôle de la FAD/FADH₂ ?
Answer
C'est une coenzyme flavinique (dérivée de la vitamine B2) impliquée dans les réactions d'oxydoréduction, notamment dans le métabolisme.
Question
Que sont les coenzymes nicotiniques ?
Answer
Ce sont des dérivés de la vitamine B3 (ex: NAD⁺/NADH,H⁺) qui interviennent dans les réactions d'oxydoréduction.

Enzymologie : une introduction

L'enzymologie est l'étude des enzymes, des catalyseurs biologiques essentiels à toutes les réactions biochimiques in vivo.

Terminologie de base

Enzyme (E)

Définition

Catalyseur d'une réaction chimique dans un milieu biologique (intracellulaire, extracellulaire, plasma, etc.). Toutes les réactions biochimiques in vivo sont catalysées par une enzyme.

Structure

Complémentarité de forme avec le substrat.

Diversité

Plusieurs milliers, différentes par leur structure, la réaction catalysée et le substrat.

Substrat (S)

Définition

Molécule transformée en produit lors d'une réaction catalysée par une enzyme.

Natures biochimiques variées

Acides aminés, peptides, protéines, lipides, glucides, acides nucléiques (ADN ou ARN).

Produit (P)

Définition

Molécule formée au cours de la réaction enzymatique.

Réaction enzymatique

  • Équation générale :

  • Transformation : Le substrat (S) se transforme en produit (P) via la formation d'un complexe intermédiaire ES. L'enzyme (E) est ensuite libérée et régénérée.

Caractéristiques des enzymes

Nature et taille

  • Les enzymes sont principalement des protéines globulaires, possédant une structure tridimensionnelle spécifique.

  • Exception : les ribozymes, des ARN avec une activité catalytique.

  • Elles ont un haut poids moléculaire, toujours supérieur à celui du substrat.

Stabilité et régénération

  • Les enzymes sont inchangées en fin de réaction et peuvent être réutilisées.

  • Elles subissent des modifications chimiques temporaires pendant la réaction, puis sont régénérées sous leur forme initiale.

Puissance catalytique et autonomie

  • Ce sont des catalyseurs puissants, augmentant la vitesse de réaction d'un facteur d'au moins .

  • Elles fonctionnent de manière autonome, conservant leurs propriétés catalytiques ex vivo et in vitro (sous conditions non dénaturantes : pH, température).

Spécificités des enzymes

Spécificité vis-à-vis de la réaction catalysée

Chaque enzyme catalyse un type de réaction donné pour un substrat spécifique (ex: décarboxylation, hydroxylation).

Spécificité vis-à-vis du substrat

Cette spécificité est variable :

  • Une enzyme peut catalyser une réaction pour plusieurs substrats (conduisant à plusieurs produits).

  • Une enzyme peut n'accepter qu'un seul substrat.

Exemples de spécificité vis-à-vis du substrat :

Exemples des protéases

Papaïne

Pas de spécificité vis-à-vis du substrat (clivage de la liaison peptidique quel que soit l'AA).

Trypsine

Clivage de la liaison peptidique après les AA basiques (Lys ou Arg).

Chymotrypsine

Clivage de la liaison peptidique après les AA aromatiques (Phe, Tyr et Trp).

Exemple des kinases

Réaction catalysée

Phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate, avec l'ATP comme donneur de phosphate.

Glucokinase (GK)

Très spécifique : 1 seul substrat (glucose). Faible affinité ( élevée). Spécifique du foie (hépatocytes). Inhibée par l'insuline.

Hexokinase (HK)

Moins spécifique : Hexoses (glucose, galactose, fructose). Forte affinité ( faible). Ubiquitaire (présente dans toutes les cellules). Inhibée par le produit (Glucose-6-phosphate).

Mécanisme d'action des enzymes

Influence sur l'énergie d'activation

Les enzymes diminuent l'énergie libre d'activation () d'une réaction, ce qui accélère la vitesse de la réaction. Elles ne modifient pas l'état d'équilibre ().

Sans enzyme

Avec enzyme

Énergie libre initiale du substrat S

Non modifiée

Énergie libre finale du produit P

Non modifiée

Énergie libre de l'état de transition

Diminue

Variation d'énergie libre ($ G_f -

G_i )Nonmodifieˊe<spandata−latex="ΔG∗"data−type="inline−math"></span><strong>(ou</strong><spandata−latex="ΔG′"data−type="inline−math"></span><strong>)</strong>Eˊnergielibred′activation(<spandata−latex="Gx−Gi"data−type="inline−math"></span>)Diminue,cequiaugmentelavitessedereˊaction.L′eˊtatd′eˊquilibreestatteintplusrapidement.</p><h2style="text−align:left;">Nomenclaturedesenzymes</h2><h3style="text−align:left;">Nomcommun</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Nedonneaucuneinformationsurlareˊactioncatalyseˊeoulesubstrat(ex:trypsine,papaı¨ne).</p></li></ul><h3style="text−align:left;">Nomenclaturefonctionnelle</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Nomdusubstrat+typedereˊactioncatalyseˊe+suffixe<em>−ase</em>(ex:glucoseoxydase,glucokinase,lipase).</p></li></ul><h3style="text−align:left;">Nomenclatureofficielleinternationale(EC)</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Systeˋmedeclassificationaˋ4chiffres(ECX.Y.Z.W):</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">X1:classe(typedereˊaction)</p></li><li><pstyle="text−align:left;">X2,X3,X4:speˊcificiteˊcroissante.</p></li></ul></li></ul><pstyle="text−align:left;"><strong>Les6classesd′enzymes(EC1aˋEC6):</strong></p><tablestyle="min−width:75px;"><colgroup><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"></colgroup><tbody><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>EC1</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Oxydoreˊductases</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Transfertd′eˊlectrons(ex:oxydases,reˊductases).</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>EC2</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Transfeˊrases</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Transfertd′ungroupementchimique(ex:phosphotransfeˊrases).</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>EC3</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Hydrolases</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Coupured′uneliaisoncovalenteavecdel′eau(ex:peptidases).</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>EC4</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Lyases</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Additionouretraitd′ungroupesurlesdoublesliaisons.</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>EC5</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Isomeˊrases</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Transfertd′ungroupementchimiqueauseindelame^memoleˊcule.</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>EC6</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Ligases</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Formationd′uneliaisoncovalenteentredeuxmoleˊcules(ex:ATPsynthases).</p></td></tr></tbody></table><h2style="text−align:left;">Siteactifdel′enzyme</h2><h3style="text−align:left;">Fonction</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Zonedefixationdusubstrat,avecuneformecompleˊmentaire.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lieuprincipaldelareˊactionenzymatique.</p></li></ul><h3style="text−align:left;">Localisationettaille</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Situeˊ<strong>aˋl′inteˊrieur</strong>del′enzyme.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">De<strong>tailletreˋsinfeˊrieure</strong>aˋcelledel′enzyme.</p></li></ul><h3style="text−align:left;">Composition</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Variableenacidesamineˊs(AA).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">LesAApeuvente^treprochesenstructureprimaire,oueˊloigneˊsmaisrapprocheˊsenstructuretertiaire(parrepliement).</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><em>Exempledulysozyme:</em>AAimpliqueˊsdanslesiteactif(eˊloigneˊsenstructureprimaire)sontrapprocheˊsdanssastructuretertiaire.</p></li></ul></li></ul><h3style="text−align:left;">Lesdeuxpartiesdusiteactif</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Sitedeliaisonausubstrat:</strong>Constitueˊd′AAliantlesubstrat,principalementpardesliaisonsfaiblesnoncovalentes(hydrogeˋnes,hydrophobes,ioniques)etrarementcovalentes.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Sitecatalytique:</strong>ConstitueˊdesAAparticipantdirectementaˋlareˊactioncatalytique.</p></li></ul><h2style="text−align:left;">Modeˋlesdecompleˊmentariteˊenzyme−substrat</h2><h3style="text−align:left;">Modeˋleclef−serruredeFisher(1890)</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Deˊcritunecompleˊmentariteˊdeformeparfaiteetstatiqueentrelesubstratetlesiteactifdel′enzymelibre.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Cemodeˋlesuggeˋrequel′enzymenefixequ′unseulsubstrat.</p></li></ul><h3style="text−align:left;">Modeˋledel′adaptationinduitedeKoshland(1958)</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Modeˋleactuel,pluscomplexeetdynamique.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Impliqueun<strong>ajustement(deˊformation)simultaneˊ</strong>dusubstratetdusiteactifdel′enzyme,facilitantl′eˊtatdetransition.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Deˊroulement:</strong></p><olclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Compleˊmentariteˊdeforme<em>partielle</em>entrelesubstratetlesiteactifdel′enzymelibre,permettantunefixationinitiale.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Changementdeconformationdusiteactifdel′enzymeapreˋsfixationdusubstrat,lerendantparfaitementcompleˊmentaire.</p></li></ol></li></ul><pstyle="text−align:left;"><strong>Exempledel′hexokinase(modeˋledeKoshland):</strong></p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Fixationduglucoseetdel′ATP(deuxsubstrats)danslesiteactif.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Changementdeconformationinduisantlaformationdeliaisonshydrogeˋnesentreleglucoseet</p></li></ul><pstyle="text−align:left;"></p><pstyle="text−align:left;">lesAAdusiteactif(lysine,acideaspartique,asparagineetthreˊonine),stabilisantl′ose.</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Fixationdusecondsubstrat,l′ATP.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Uncofacteur,le<strong>magneˊsium</strong>,estpreˊsentdanslesiteactif.</p></li></ul><h2style="text−align:left;">Inteˊgriteˊstructuraleetcofacteurs</h2><h3style="text−align:left;">Inteˊgriteˊstructuraledelaproteˊine</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Lemaintiendesstructuresprimaire,secondaire,tertiaire(etquaternaire)est<strong>indispensable</strong>pourl′activiteˊcatalytique.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Unepertedestructure(deˊnaturation)entraı^neunepertedefonction.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lesmutationsgeˊneˊtiquespeuventalteˊrerlafonctionnaliteˊdel′enzyme,pouvantinduiredespathologies(ex:pheˊnylceˊtonurie).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lesconditionsexpeˊrimentales(pH,tempeˊrature,forceionique)doivente^trecontro^leˊes<em>invitro</em>pourpreˊserverl′inteˊgriteˊdel′enzyme.</p></li></ul><h3style="text−align:left;">Cofacteursenzymatiques</h3><pstyle="text−align:left;">Cesontdesmoleˊculesneˊcessairesaˋdenombreusesreˊactionsenzymatiques.</p><pstyle="text−align:left;">1.Coenzymes</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Descomposeˊsorganiquesquipeuvente^tre:</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Groupementprostheˊtique:</strong>lieˊfortementaˋl′enzyme,indispensableaˋsonactiviteˊ(ex:Heˋmedanslesglobines).</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Co−substrat(ousecondsubstrat):</strong>sefixetemporairement,apportantungroupementchimiqueaˋlareˊaction(ex:NADH,H<spandata−latex="+"data−type="inline−math"></span>ouFADH<spandata−latex="2"data−type="inline−math"></span>).</p></li></ul></li></ul><pstyle="text−align:left;"><strong>4grandescateˊgoriesdeco−substrats:</strong></p><tablestyle="min−width:50px;"><colgroup><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"></colgroup><tbody><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>NAD+/NADH,H+</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">DeˊriveˊdelavitamineB3.Coupleredoximpliqueˊdanslesreˊactionsd′oxydoreˊduction(glycolyse,cycledeKrebs,chaı^nerespiratoire).</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>FAD/FADH2</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">DeˊriveˊdelavitamineB2.Coenzymeflaviniqueimpliqueˊdansl′oxydoreˊduction(chaı^nerespiratoire,meˊtabolismedesacidesgras).</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Phosphatedepyridoxal(PLP)</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">DeˊriveˊdelavitamineB6.Impliqueˊdanslestransaminations.</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Dihydrofolate(DHF)etteˊtrahydrofolate(THF)</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">DeˊriveˊsdelavitamineB9(folates).</p></td></tr></tbody></table><pstyle="text−align:left;">2.Ionsactivateurs</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Deseˊleˊmentsdusiteactifneˊcessairesaˋlacatalyseenzymatique.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Facilementseˊparablesdel′enzyme(parliaisonsioniques).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Exemples:cationsbivalentstelsqueMg<spandata−latex="+2"data−type="inline−math"></span>(aideaupositionnementdusubstrat)etZn<spandata−latex="+2"data−type="inline−math"></span>.</p></li></ul><h2style="text−align:left;">Pathologieslieˊesaˋundeˊficitenzymatique</h2><h3style="text−align:left;">Pheˊnylceˊtonurie</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Dueaˋundeˊficiten<strong>pheˊnylalaninehydroxylase</strong>(enzymetransformantlapheˊnylalanineentyrosine).</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Conseˊquences:</strong></p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Accumulationde<strong>pheˊnylalanine(substrat)</strong>,toxiquepourlesysteˋmenerveuxcentral(retardsdedeˊveloppementneurologique).Elleesttransformeˊeenpheˊnylceˊtone(odeurparticulieˋredanslesurines).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Deˊficiten<strong>tyrosine(produit)</strong>,entraı^nantunediminutiondelameˊlanine(deˊfautdepigmentation:peau,cheveux,yeuxpa^les,moinsbonneprotectionsolaire).</p></li></ul></li></ul><h3style="text−align:left;">MaladiedeVonGierke</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Deˊficiten<strong>glucose−6−phosphatase</strong>(enzymeheˊpatiquequideˊphosphoryleleglucose−6−phosphateenglucose).</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Conseˊquences:</strong></p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Accumulationde<strong>glucose−6−phosphate(substrat)</strong>,stockeˊsousformedeglycogeˋnedanslesheˊpatocytes(heˊpatomeˊgalie).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Diminutiondu<strong>glucose(produit)</strong>libeˊreˊdanslacirculationsanguine(hypoglyceˊmieaˋjeun).</p></li></ul></li></ul><h2style="text−align:left;">LemodeˋledeMichaelis−Menten</h2><pstyle="text−align:left;">Cemodeˋle,deˊveloppeˊparMichaelisetMentenen1913,deˊcritlacineˊtiqueenzymatiqueparuneapprochematheˊmatiquebaseˊesurdeseˊtudes<em>invitro</em>.</p><h3style="text−align:left;">Courbeetphasesdelareˊactionenzymatique</h3><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Lavitessedelareˊactionestmesureˊeparlavitessedeformationduproduit() Non modifiée <span data-latex="\Delta G^*" data-type="inline-math"></span><strong> (ou </strong><span data-latex="\Delta G'" data-type="inline-math"></span><strong>)</strong> Énergie libre d'activation (<span data-latex=" G_x - G_i " data-type="inline-math"></span>) Diminue, ce qui augmente la vitesse de réaction. L'état d'équilibre est atteint plus rapidement.</p><h2 style="text-align: left;">Nomenclature des enzymes</h2><h3 style="text-align: left;">Nom commun</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Ne donne aucune information sur la réaction catalysée ou le substrat (ex: trypsine, papaïne).</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Nomenclature fonctionnelle</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Nom du substrat + type de réaction catalysée + suffixe <em>-ase</em> (ex: glucose oxydase, glucokinase, lipase).</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Nomenclature officielle internationale (EC)</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Système de classification à 4 chiffres (EC X.Y.Z.W) :</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">X1: classe (type de réaction)</p></li><li><p style="text-align: left;">X2, X3, X4: spécificité croissante.</p></li></ul></li></ul><p style="text-align: left;"><strong>Les 6 classes d'enzymes (EC1 à EC6) :</strong></p><table style="min-width: 75px;"><colgroup><col style="min-width: 25px;"><col style="min-width: 25px;"><col style="min-width: 25px;"></colgroup><tbody><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>EC1</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Oxydoréductases</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Transfert d'électrons (ex: oxydases, réductases).</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>EC2</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Transférases</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Transfert d'un groupement chimique (ex: phosphotransférases).</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>EC3</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Hydrolases</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Coupure d'une liaison covalente avec de l'eau (ex: peptidases).</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>EC4</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Lyases</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Addition ou retrait d'un groupe sur les doubles liaisons.</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>EC5</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Isomérases</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Transfert d'un groupement chimique au sein de la même molécule.</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>EC6</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Ligases</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Formation d'une liaison covalente entre deux molécules (ex: ATP synthases).</p></td></tr></tbody></table><h2 style="text-align: left;">Site actif de l'enzyme</h2><h3 style="text-align: left;">Fonction</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Zone de fixation du substrat, avec une forme complémentaire.</p></li><li><p style="text-align: left;">Lieu principal de la réaction enzymatique.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Localisation et taille</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Situé <strong>à l'intérieur</strong> de l'enzyme.</p></li><li><p style="text-align: left;">De <strong>taille très inférieure</strong> à celle de l'enzyme.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Composition</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Variable en acides aminés (AA).</p></li><li><p style="text-align: left;">Les AA peuvent être proches en structure primaire, ou éloignés mais rapprochés en structure tertiaire (par repliement).</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;"><em>Exemple du lysozyme :</em> AA impliqués dans le site actif (éloignés en structure primaire) sont rapprochés dans sa structure tertiaire.</p></li></ul></li></ul><h3 style="text-align: left;">Les deux parties du site actif</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;"><strong>Site de liaison au substrat :</strong> Constitué d'AA liant le substrat, principalement par des liaisons faibles non covalentes (hydrogènes, hydrophobes, ioniques) et rarement covalentes.</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>Site catalytique :</strong> Constitué des AA participant directement à la réaction catalytique.</p></li></ul><h2 style="text-align: left;">Modèles de complémentarité enzyme-substrat</h2><h3 style="text-align: left;">Modèle clef-serrure de Fisher (1890)</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Décrit une complémentarité de forme parfaite et statique entre le substrat et le site actif de l'enzyme libre.</p></li><li><p style="text-align: left;">Ce modèle suggère que l'enzyme ne fixe qu'un seul substrat.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Modèle de l'adaptation induite de Koshland (1958)</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Modèle actuel, plus complexe et dynamique.</p></li><li><p style="text-align: left;">Implique un <strong>ajustement (déformation) simultané</strong> du substrat et du site actif de l'enzyme, facilitant l'état de transition.</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>Déroulement :</strong></p><ol class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Complémentarité de forme <em>partielle</em> entre le substrat et le site actif de l'enzyme libre, permettant une fixation initiale.</p></li><li><p style="text-align: left;">Changement de conformation du site actif de l'enzyme après fixation du substrat, le rendant parfaitement complémentaire.</p></li></ol></li></ul><p style="text-align: left;"><strong>Exemple de l'hexokinase (modèle de Koshland) :</strong></p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Fixation du glucose et de l'ATP (deux substrats) dans le site actif.</p></li><li><p style="text-align: left;">Changement de conformation induisant la formation de liaisons hydrogènes entre le glucose et</p></li></ul><p style="text-align: left;"></p><p style="text-align: left;">les AA du site actif (lysine, acide aspartique, asparagine et thréonine), stabilisant l'ose.</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Fixation du second substrat, l'ATP.</p></li><li><p style="text-align: left;">Un cofacteur, le <strong>magnésium</strong>, est présent dans le site actif.</p></li></ul><h2 style="text-align: left;">Intégrité structurale et cofacteurs</h2><h3 style="text-align: left;">Intégrité structurale de la protéine</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Le maintien des structures primaire, secondaire, tertiaire (et quaternaire) est <strong>indispensable</strong> pour l'activité catalytique.</p></li><li><p style="text-align: left;">Une perte de structure (dénaturation) entraîne une perte de fonction.</p></li><li><p style="text-align: left;">Les mutations génétiques peuvent altérer la fonctionnalité de l'enzyme, pouvant induire des pathologies (ex: phénylcétonurie).</p></li><li><p style="text-align: left;">Les conditions expérimentales (pH, température, force ionique) doivent être contrôlées <em>in vitro</em> pour préserver l'intégrité de l'enzyme.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Cofacteurs enzymatiques</h3><p style="text-align: left;">Ce sont des molécules nécessaires à de nombreuses réactions enzymatiques.</p><p style="text-align: left;">1. Coenzymes</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Des composés organiques qui peuvent être :</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;"><strong>Groupement prosthétique :</strong> lié fortement à l'enzyme, indispensable à son activité (ex: Hème dans les globines).</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>Co-substrat (ou second substrat) :</strong> se fixe temporairement, apportant un groupement chimique à la réaction (ex: NADH,H<span data-latex="^+" data-type="inline-math"></span> ou FADH<span data-latex="_2" data-type="inline-math"></span>).</p></li></ul></li></ul><p style="text-align: left;"><strong>4 grandes catégories de co-substrats :</strong></p><table style="min-width: 50px;"><colgroup><col style="min-width: 25px;"><col style="min-width: 25px;"></colgroup><tbody><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>NAD⁺/NADH,H⁺</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Dérivé de la vitamine B3. Couple redox impliqué dans les réactions d'oxydoréduction (glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire).</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>FAD/FADH₂</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Dérivé de la vitamine B2. Coenzyme flavinique impliqué dans l'oxydoréduction (chaîne respiratoire, métabolisme des acides gras).</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Phosphate de pyridoxal (PLP)</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Dérivé de la vitamine B6. Impliqué dans les transaminations.</p></td></tr><tr><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;"><strong>Dihydrofolate (DHF) et tétrahydrofolate (THF)</strong></p></td><td colspan="1" rowspan="1"><p style="text-align: left;">Dérivés de la vitamine B9 (folates).</p></td></tr></tbody></table><p style="text-align: left;">2. Ions activateurs</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Des éléments du site actif nécessaires à la catalyse enzymatique.</p></li><li><p style="text-align: left;">Facilement séparables de l'enzyme (par liaisons ioniques).</p></li><li><p style="text-align: left;">Exemples : cations bivalents tels que Mg<span data-latex="^{+2}" data-type="inline-math"></span> (aide au positionnement du substrat) et Zn<span data-latex="^{+2}" data-type="inline-math"></span>.</p></li></ul><h2 style="text-align: left;">Pathologies liées à un déficit enzymatique</h2><h3 style="text-align: left;">Phénylcétonurie</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Due à un déficit en <strong>phénylalanine hydroxylase</strong> (enzyme transformant la phénylalanine en tyrosine).</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>Conséquences :</strong></p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Accumulation de <strong>phénylalanine (substrat)</strong>, toxique pour le système nerveux central (retards de développement neurologique). Elle est transformée en phénylcétone (odeur particulière dans les urines).</p></li><li><p style="text-align: left;">Déficit en <strong>tyrosine (produit)</strong>, entraînant une diminution de la mélanine (défaut de pigmentation : peau, cheveux, yeux pâles, moins bonne protection solaire).</p></li></ul></li></ul><h3 style="text-align: left;">Maladie de Von Gierke</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Déficit en <strong>glucose-6-phosphatase</strong> (enzyme hépatique qui déphosphoryle le glucose-6-phosphate en glucose).</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>Conséquences :</strong></p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">Accumulation de <strong>glucose-6-phosphate (substrat)</strong>, stocké sous forme de glycogène dans les hépatocytes (hépatomégalie).</p></li><li><p style="text-align: left;">Diminution du <strong>glucose (produit)</strong> libéré dans la circulation sanguine (hypoglycémie à jeun).</p></li></ul></li></ul><h2 style="text-align: left;">Le modèle de Michaelis-Menten</h2><p style="text-align: left;">Ce modèle, développé par Michaelis et Menten en 1913, décrit la cinétique enzymatique par une approche mathématique basée sur des études <em>in vitro</em>.</p><h3 style="text-align: left;">Courbe et phases de la réaction enzymatique</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">La vitesse de la réaction est mesurée par la vitesse de formation du produit ( d

P/dt ),correspondantaˋlapentedelatangenteaˋlacourbe[P]enfonctiondutemps.</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Eˊquationdelareˊaction:</strong><spandata−latex="E+S⇌k+1k−1ES⇌k+2k−2E+P"data−type="inline−math"></span></p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>1eˋrephase:phasestationnaire</strong></p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Lavitessedelareˊactionestconstantedurantlespremieˋresminutes,tantque10aˋ20), correspondant à la pente de la tangente à la courbe [P] en fonction du temps.</p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;"><strong>Équation de la réaction :</strong> <span data-latex="E + S \underset{k_{-1}}{\overset{k_{+1}}{\rightleftharpoons}} ES \underset{k_{-2}}{\overset{k_{+2}}{\rightleftharpoons}} E + P" data-type="inline-math"></span></p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>1ère phase : phase stationnaire</strong></p><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">La vitesse de la réaction est constante durant les premières minutes, tant que 10 à 20% du substrat n'est pas consommé.</p></li><li><p style="text-align: left;">La relation entre l'apparition du produit et le temps est linéaire.</p></li><li><p style="text-align: left;">La <strong>vitesse initiale (</strong><span data-latex="V_0" data-type="inline-math"></span><strong> ou </strong><span data-latex="V_i" data-type="inline-math"></span><strong>)</strong> est la pente de la droite à l'origine.</p></li><li><p style="text-align: left;">La concentration du complexe ES est constante (<span data-latex="k_{+1}[E][S] = (k_{-1} + k_{+2})[ES]" data-type="inline-math"></span>).</p></li><li><p style="text-align: left;">Les expériences de cinétique enzymatique michaelienne sont toujours effectuées en phase stationnaire.</p></li></ul></li><li><p style="text-align: left;"><strong>2ème phase :</strong> Inflexion de la courbe vers un état d'équilibre.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Détermination de la vitesse initiale (<span data-latex="V_i" data-type="inline-math"></span>)</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">En faisant varier la concentration en substrat ([S]) tout en gardant [E] constante : on observe une augmentation de <span data-latex="V_i" data-type="inline-math"></span> avec [S]. Plus [S] est élevée, plus l'état d'équilibre est atteint rapidement.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Représentation de Michaelis-Menten</h3><ul class="tight" data-tight="true"><li><p style="text-align: left;">La courbe de <span data-latex="V_i" data-type="inline-math"></span> en fonction de [S] a une forme d'<strong>hyperbole</strong>.</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>1ère partie de la courbe :</strong> Réaction d'ordre 1 (<span data-latex="V_i" data-type="inline-math"></span> proportionnelle à [S]).</p></li><li><p style="text-align: left;"><strong>2ème partie de la courbe :</strong> Inflexion, la vitesse tend asymptotiquement vers un maximum (<span data-latex="V_{max}" data-type="inline-math"></span>), sans l'atteindre. La vitesse devient quasi constante (ordre 0).</p></li><li><p style="text-align: left;">Cette représentation seule ne permet pas une détermination précise de <span data-latex="V_{max}" data-type="inline-math"></span> et <span data-latex="K_m" data-type="inline-math"></span>.</p></li></ul><h3 style="text-align: left;">Équation de Michaelis-Menten</h3><p style="text-align: left;">L'équation fondamentale de la cinétique enzymatique : <span data-latex="V_i = \frac{V_{\text{max}} \times [S]}{K_m + [S]}" data-type="inline-math">V_{max}K_m$ sont des caractéristiques de l'enzyme.

  • Si [S] est faible () : . C'est une équation linéaire (type y=ax), la réaction est d'ordre 1 et est proportionnelle à [S].

  • Si [S] est très élevée () : est négligeable devant [S], tend vers . La réaction est d'ordre 0 et est indépendante de [S].

Détermination précise de et (Linéarisations)

Méthode de Lineweaver-Burk (doubles inverses)

  • Transformation algébrique de l'équation de Michaelis-Menten : 1Vi=KmVmax×1[S]+1Vmax"data−type="inline−math"></span>\frac{1}{V_i} = \frac{K_m}{V_{\text{max}}} \times \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\text{max}}}" data-type="inline-math"></span>

  • La représentation en fonction de est une droite linéaire (type y=ax+b).

    • Coupe l'axe des ordonnées en .

    • Coupe l'axe des abscisses en .

    • La pente est .

Méthode d'Eadie-Hofstee

  • Transformation algébrique :

  • La représentation de en fonction de est une droite.

    • Coupe l'axe des ordonnées en .

    • Coupe

l'axe des abscisses en .

  • La pente est .

Signification des paramètres cinétiques

: constante de Michaelis

  • Unité : concentration en substrat (mole.L).

  • Valeur : variable selon les enzymes (de à M).

  • Définition : C'est la concentration en substrat pour laquelle . À cette concentration, la moitié des sites actifs de l'enzyme sont occupés.

  • Lien avec l'affinité : est inversement proportionnelle à l'affinité de l'enzyme pour le substrat. Plus est élevée, plus l'affinité est faible.

: vitesse maximale

  • Unité : mole ou masse par unité de temps.

  • Définition : Vitesse initiale lorsque l'enzyme est totalement saturée en substrat (tous les sites actifs sont occupés). Atteinte pour des concentrations en substrat supérieures à 20 fois .

Constante catalytique ()

  • Unité : sec.

  • Définition : C'est le nombre maximal de molécules de substrat transformées en produit par une molécule d'enzyme et par seconde, lorsque l'enzyme est saturée en substrat. Elle représente le turn-over.

  • Valeur : caractéristique de l'enzyme, variable de à sec.

    • Exemple : L'anhydrase carbonique, la catalase (transforme 40 millions de molécules de S par seconde).

Facteurs influençant la cinétique enzymatique

Influence de la concentration en enzyme ([E])

  • En présence d'une concentration saturante en substrat ([S]), la vitesse initiale () est directement proportionnelle à la concentration totale en enzyme ().

  • La représentation de en fonction de [E] est une droite, permettant le dosage de l'activité enzymatique.

Influence de la température

  • La courbe de en fonction de la température est biphasique et non symétrique.

    • Jusqu'à l'optimum : Augmentation de la vitesse selon la loi d'Arrhenius (température optimale ~37°C pour la plupart des enzymes).

    • Au-delà de l'optimum : Diminution rapide de la vitesse due à la dénaturation de l'enzyme (rupture des liaisons, perte de structure tridimensionnelle et donc de fonction).

Influence du pH

  • La courbe de en fonction du pH est biphasique et symétrique.

  • Le pH influence le degré d'ionisation des acides aminés (chargés à pH physiologique) dans le site actif et à distance, modifiant la structure 3D de l'enzyme et les liaisons E-S. Il affecte aussi la structure du substrat.

  • pH optimal :

    • Majorité des enzymes : ~7 (pH physiologique).

    • Exceptions :

    • Enzymes lysosomales : pH ~4-5.

    • Enzymes digestives : Pepsine (pH ~2-3), Amylase pancréatique (~7), Trypsine (~9).

Enzymes allostériques

Les enzymes allostériques sont des enzymes régulées par des molécules qui se lient à un site distinct du site actif (site allostérique), induisant des changements conformationnels réversibles affectant l'activité catalytique. Elles présentent une cinétique non michaelienne.

Structure oligomérique

Elles possèdent une structure quaternaire, étant des assemblages de plusieurs sous-unités (souvent un nombre pair, ex: dimères).

  • Chaque sous-unité comporte :

    • Un site actif (fixation du substrat et catalyse).

    • Un site régulateur (fixation d'effecteurs allostériques, activateurs ou inhibiteurs).

États conformationnels

  • Elles existent en équilibre entre deux états :

    • État T (tendu) : Inactif, faible affinité pour le substrat.

    • État R (relâché) : Actif, forte affinité pour le substrat.

  • Un changement d'état modifie le pouvoir catalytique et/ou l'affinité pour le substrat.

  • La transition allostérique est le passage d'un état (T ou R) qui favorise l'adoption spontanée de cet état par les autres sous-unités (coopérativité).

Cinétique en l'absence d'effecteur allostérique

  • La courbe de en fonction de [S] est de forme sigmoïde (cinétique non-michaelienne).

  • Effet de [S] :

    • À faible [S], est quasi nulle.

    • À partir d'un certain seuil, une petite augmentation de [S] entraîne une augmentation très rapide de (effet coopératif).

    • À forte [S], tend vers un plateau ().

  • Effet coopératif positif : La fixation d'une molécule de substrat sur une sous-unité induit un changement de conformation (de T à R), ce qui favorise la transition des autres sous-unités.

Cinétique en présence d'un effecteur allostérique

Acttivateur allostérique

Inhibiteur allostérique

Effet

Favorise l'état R (actif). Augmente la vitesse de réaction.

Favorise l'état T (inactif). Diminue la vitesse de réaction.

Courbe [S]

Reste sigmoïde (à faibles concentrations d'activateur) ou devient hyperbolique (à fortes concentrations).

Reste sigmoïde.

Déplacement vers la gauche (plus la concentration en activateur augmente, plus la courbe est déplacée vers la gauche).

Déplacement vers la droite (plus la concentration en inhibiteur augmente, plus la courbe est déplacée vers la droite).

Inchangée.

Inchangée.

Diminue (augmentation de l'affinité de E pour S).

Augmente (diminution de l'affinité de E pour S).

Réactions à plusieurs substrats

De nombreuses réactions enzymatiques impliquent plusieurs substrats (plus de 90%).

1. Mécanismes séquentiels

Mécanisme séquentiel ordonné

  • Les substrats (A, B) se lient à l'enzyme dans un ordre précis, et les produits (P, Q) sont libérés dans un ordre précis.

  • L'enzyme libre n'a pas d'affinité pour le 2ème substrat avant la fixation du 1er. La liaison du 1er substrat induit un changement de conformation augmentant l'affinité pour le 2ème.

  • Cinétique :

    1. Fixation du substrat A sur

E (complexe EA).

  • Fixation du substrat B (complexe ternaire EAB).

  • Réaction enzymatique (complexe ternaire EPQ).

  • Libération du produit P (complexe binaire EQ).

  • Libération du produit Q (enzyme libre régénérée).

  • Exemple : La lactate déshydrogénase (LDH) catalyse Pyruvate + NADH, H Lactate + NAD. NADH, H (A) se fixe en premier, suivi du pyruvate (B).

Mécanisme séquentiel aléatoire

  • Les substrats (A, B) se lient à l'enzyme sans ordre fixe, et les produits (P, Q) sont libérés sans ordre fixe également.

  • Cinétique :

    • Fixation de A ou B sur E (complexe EA ou EB).

    • Fixation du substrat restant (complexe ternaire EAB).

    • Réaction enzymatique (complexe ternaire EPQ).

    • Libération de P ou Q, puis du produit restant (enzyme régénérée).

  • Exemple : La créatine kinase catalyse Créatine + ATP Créatine-P + ADP. La créatine et l'ATP se fixent sans ordre fixe.

2. Mécanisme Ping-Pong

  • Un 1er substrat se fixe, subit une 1ère catalyse et un 1er produit est libéré. L'enzyme est modifiée (forme intermédiaire E').

  • Ensuite, un 2ème substrat se fixe à l'enzyme modifiée, une 2ème catalyse a lieu et un 2ème produit est libéré, régénérant l'enzyme à son état initial.

  • Cinétique :

    1. Fixation du substrat A sur E (complexe EA).

    2. 1ère réaction catalytique : formation d'un complexe E'P et libération du produit P. L'enzyme est sous forme E' (modifiée).

    3. Fixation du substrat B sur E' (complexe E'B).

    4. 2ème réaction catalytique : libération du produit Q.

    5. Régénération de l'enzyme E non modifiée.

  • Exemple : L'alanine aminotransférase (ALAT), ou transaminase, catalyse le transfert d'un groupement amine entre l'alanine et l'-cétoglutarate. L'enzyme passe par une forme intermédiaire E-NH.

Analyses biomédicales et enzymologie

Biomarqueurs de pathologies

  • Les enzymes, normalement intracellulaires et présentes à faible concentration dans le sang, sont libérées après cytolyse en cas de pathologie.

  • Un dosage de l'activité enzymatique est moins coûteux et plus rapide qu'un dosage de protéine.

  • Ces marqueurs aident au diagnostic, au suivi de l'évolution de la pathologie et à l'efficacité d'un traitement.

Exemple 1 : Élévation de l'activité des transaminases (ALAT, ASAT)

  • ALAT (Alanine aminotransférase) / TGP (Transaminase Glutamo-Pyruvique) :

    • Réaction : Ala + -cétoglutarate pyruvate + glutamate.

    • Localisée exclusivement dans le foie.

  • ASAT (Aspartate aminotransférase) / TGO (Transaminase Glutamo-Oxaloacétique) :

    • Réaction : Asp + -cétoglutarate $ \rightleftharpoons

$ oxaloacétate + glutamate.

  • Localisée dans le foie, le cœur et les muscles.

  • Marqueurs de cytolyse hépatique : En cas d'hépatite, libération d'ALAT et d'ASAT dans le sang. Les valeurs augmentent significativement (x2 pour hépatite chronique, x50 pour hépatite aiguë).

Exemple 2 : Infarctus du myocarde (IM)

  • Marqueurs biologiques intracellulaires dans les cellules myocardiques : Créatine kinase (isoforme cardiaque), ASAT, 3-hydroxybutyrate déshydrogénase, Lactate déshydrogénase (LDH).

  • Cinétique de libération : Spécifique pour chaque enzyme, permettant de dater l'IM.

    1. Créatine kinase : J+1 post IM, retour à la normale J+2/J+3.

    2. ASAT : J+2 post IM (décalé par rapport à la CK), retour à la normale J+5.

    3. LDH : J+3 post IM (plus tardif), retour à la normale plus long.

Exemple 3 : Élévation de l'activité de la lipase

  • La lipase est une enzyme produite par le pancréas exocrine, impliquée dans le clivage des triacylglycérols et la digestion des lipides.

  • Marqueur de pancréatite aiguë : En cas d'inflammation du pancréas, la lipase est libérée dans le sang. Son activité peut être multipliée par 3 ou plus (x10, x30).

Mesure d'une activité enzymatique

  • Principe : Mesure de la vitesse de réaction (quantité de produit P formé ou de substrat S consommé) par unité de temps, dans un échantillon biologique contenant l'enzyme à analyser. ().

  • Milieu réactionnel : Contient l'enzyme à doser (venant de l'échantillon), le substrat en quantité non limitante/en excès (), et si besoin, cofacteurs et ions.

  • Conditions expérimentales : Optimales pour l'enzyme (pH, température, force ionique) et travail en phase stationnaire pour que , et soit proportionnelle à la quantité d'enzyme. L'activité enzymatique est alors .

Deux méthodes de dosage

  1. Méthode en 2 points : Mesure de la quantité de produit formé entre deux temps appartenant à la phase stationnaire.

  2. Méthode en cinétique : Mesure en continu de la quantité de produit P formé à plusieurs temps, tous en phase stationnaire. Avantage : permet de s'assurer d'être en phase stationnaire.

Unités de dosage d'une activité enzymatique

Katal (kat) : Système international

Définit la quantité d'enzyme qui transforme 1 mole de substrat (ou libère 1 mole de produit) par seconde. (1 kat = 1 mol/sec).

Concentration catalytique : kat/mL ou kat/L.

UI (Unité Internationale)

Définit la quantité d'enzyme qui transforme 1 micromole de substrat (ou libère 1 micromole de produit) par minute. (1 UI = 1 mol/min).

Concentration catalytique : UI/mL ou UI/L.

Conversion : 1 UI = 16 nKat.

Exemple : Dosage d'ALAT dans le plasma par méthode en cinétique

  • Réaction : L'ALAT convertit Alanine + -c

étoglutarate en Pyruvate + Glutamate. Une réaction secondaire utilise la LDH pour convertir le pyruvate en lactate, consommant du NADH qui est suivi par spectrophotométrie.

  • Mélange : Plasma (source d'ALAT), alanine, -cétoglutarate, NADH, LDH, tampon.

  • Dosage : Incubation à 37°C, suivi de la consommation de NADH (par diminution de la densité optique à 340 nm).

  • Détermination de l'activité : () F (facteur de correction).

Isoenzymes (Isozymes)

  • Points communs : Forte homologie dans la séquence primaire et catalysent la même réaction enzymatique.

  • Différences : Codées par des gènes différents, ont des paramètres cinétiques () et des régulations différentes, et sont spécifiques d'organes.

  • Intérêt clinique : Leur spécificité d'organes permet de cibler l'organe lésé par le dosage des isoenzymes circulantes.

Exemple : Lactate Déshydrogénase (LDH)

  • Enzyme tétramérique, composée de 4 sous-unités.

  • 2 types de sous-unités : M (muscle) et H (cœur), codées par des gènes différents.

  • 5 isoenzymes : Combinaisons variables des sous-unités.

    • LDH-1 = H4 (cœur préférentiellement).

    • LDH-2 = H3M.

    • LDH-3 = H2M2.

    • LDH-4 = HM3.

    • LDH-5 = M4 (muscle squelettique préférentiellement).

  • Mise en évidence : Par électrophorèse du plasma, suivie d'une coloration et mesure de la DO. Les isoformes migrent différemment selon leurs charges.

  • Diagnostic clinique :

    • Individu normal : LDH-2 majoritaire.

    • Infarctus du myocarde : augmentation de LDH-1 et LDH-2.

    • Lésion du muscle squelettique : augmentation de LDH-5.

Dosages enzymatiques colorimétriques

Utilisés pour mesurer des concentrations de substrat in vitro, souvent par l'intermédiaire de réactions secondaires produisant un composé coloré.

Exemple : dosage du glucose sanguin (glycémie)

  1. Réaction primaire : Glucose + Glucose oxydase (GOD) Acide gluconique + HO.

  2. Réaction secondaire : HO + chromogène chromogène coloré.

  • Le chromogène coloré absorbe à 505 nm, permettant de mesurer la DO, proportionnelle à la concentration en glucose.

  • Conditions : plasma, milieu réactionnel contenant GOD, POD, chromogène. Utilisation d'un standard pour comparaison.

  • Application : glycémie (analyse labo, lecteurs portables) ou glycosurie (bandelettes).

Exemple : dosage du cholestérol sanguin (cholestérolémie)

  1. Réaction primaire : Cholestérol + Cholestérol oxydase Cholesténone + HO.

  2. Réaction secondaire : HO + chromogène chromogène coloré.

  • Principe similaire au dosage du glucose, la DO mesurée est proportionnelle à la concentration en cholestérol.

Dosage d'un substrat

  • Principe : Mesure de la vitesse de transformation du substrat présent dans un échantillon, en ajoutant l'enzyme appropriée ().

  • Conditions :

    • Substrat à doser en quantité limitante (apporté par l'échantillon).

    • Enzyme(s) en quantité non limitante/en excès.

    • Conditions optimales pour l'enzyme (pH, température, force ionique).

    • L'enzyme doit avoir un élevé pour le substrat () pour que la soit proportionnelle à [S].

    • Utilisation d'un étalon (solution de [S] connue).

Deux méthodes

  1. Méthode en cinétique : Mesure de dans la phase stationnaire, où est proportionnelle à [S].

  2. Méthode en point final : Mesure de la quantité de produit formé après transformation totale du substrat (dans la zone d'équilibre). Nécessite une réaction irréversible ou un piégeage du produit.

Inhibition des enzymes

Inhibiteurs irréversibles

  • Fixation très stable (souvent covalente, parfois non covalente) à l'enzyme.

  • L'inhibition est impossible à lever.

Exemple : Aspirine (Acide acétylsalicylique)

  • Inhibiteur de la cyclo-oxygénase (COX) : La COX catalyse la transformation de l'acide arachidonique en prostaglandine H2 (PGH2), précurseur des prostaglandines (douleur, fièvre) et des thromboxanes (coagulation).

  • Effet de l'aspirine : Diminue la synthèse des prostaglandines (effets anti-inflammatoires, antipyrétiques, antalgiques) et des thromboxanes (effets anticoagulants).

  • Mécanisme moléculaire :

    1. Fixation de l'aspirine dans le site actif de la COX (stabilisée par des liaisons ioniques avec l'Arginine 120).

    2. Son groupement acétyl transfère un groupe acétyle à la Sérine 530 (par acétylation irréversible).

    3. Le site actif de la COX est bloqué, empêchant la fixation de l'acide arachidonique.

Inhibiteurs réversibles

Inhibiteurs compétitifs

  • Structure : Homologie de structure avec le substrat, capable d'occuper le site actif.

  • Compétition : Entre le substrat (S) et l'inhibiteur (I) pour le site actif. L'inhibition peut être levée par un excès de S.

  • Cinétique enzymatique :

    • : Inchangée (si [S] très élevé, S peut déplacer I).

    • : Augmenté (affinité apparente de l'enzyme pour S diminuée). Plus [I] augmente, plus le apparent () augmente.

    • Représentation de Lineweaver-Burk : La droite coupe l'axe des ordonnées en (même point que sans inhibiteur) et l'axe des abscisses en (point décalé vers la droite avec [I]). La pente augmente.

Exemples d'applications thérapeutiques :

  • Statines : Inhibiteurs de la HMG-CoA réductase (enzyme clé de la synthèse du cholestérol endogène). Molécules hypocholestérolémiantes, réduisant le risque cardiovasculaire.

  • Intoxication à l'alcool à brûler : L'alcool à brûler contient de l'éthanol et du méthanol (substrats de l'alcool déshydrogénase, ADH). Le méthanol est transformé en formaldéhyde très toxique. Traitement : perfusion d'éthanol en excès, qui entre en compétition avec le méthanol pour l'ADH, et réduit ainsi la formation du formaldéhyde.

  • Chimiothérapie (Méthotrexate) : Le méthotrexate est un inhibiteur compétitif réversible de la DHF réductase (enzyme de la synthèse du dTMP, un nucléotide essentiel à la prolifération cellulaire). Il empêche la régénération du THF, bloquant la synthèse de dTMP et la prolifération des cellules tumorales.

Inhibiteurs non compétitifs (mixtes)

  • Fixation : Sur un site distinct du site actif, sur l'enzyme libre (E) et sur le complexe ES.

  • Effet : Formation d'un complexe ternaire ESI non fonctionnel.

  • Cinétique enzymatique :

    • : Diminuée ().

: Inchangé.

  • Représentation de Lineweaver-Burk : La droite coupe l'axe des abscisses en (même point que sans inhibiteur) et l'axe des ordonnées en (point décalé vers le haut avec [I]). La pente augmente.

  • Exemple : L'acétazolamide, inhibiteur de l'anhydrase carbonique, utilisé dans le traitement du glaucome.

Inhibiteurs incompétitifs

  • Fixation : Uniquement sur le complexe ES (suite à un changement de conformation du site induit par la fixation du substrat).

  • Effet : Formation d'un complexe ternaire ESI non productif.

  • Cinétique enzymatique :

    • : Diminuée ().

    • : Diminué (). L'affinité apparente de l'enzyme pour S est augmentée (loi d'action de masse).

    • Représentation de Lineweaver-Burk : Les droites (avec et sans inhibiteur) sont parallèles. La droite avec inhibiteur est décalée vers le haut et vers la gauche, coupant l'axe des ordonnées en et l'axe des abscisses en .

Mesure de l'inhibition

  • Degré d'inhibition (I) : , où est la vitesse sans inhibiteur et avec inhibiteur.

  • IC50 : Concentration en inhibiteur qui réduit de 50% la vitesse de la réaction enzymatique.

  • La représentation en double inverse permet de déterminer la nature de l'inhibiteur et de mesurer et avec précision.

Régulation de l'activité enzymatique in vivo

La régulation est essentielle pour l'adaptation physiologique aux besoins cellulaires et contextes métaboliques.

Modes de régulation

  • Rétro-inhibition : Par le produit final d'une voie métabolique (ou une molécule en aval).

  • Activation : Par le 1er substrat d'une voie métabolique (ou une molécule en amont).

  • La régulation se fait souvent sur l'étape d'engagement (1ère étape de la voie).

Différentes possibilités d'action

  • Sur la disponibilité du substrat.

  • Sur la quantité d'enzyme (équilibre entre biosynthèse et dégradation).

  • Sur l'activité enzymatique elle-même (activation ou inhibition).

Modification covalente réversible : Phosphorylation/Déphosphorylation

  • Concerne uniquement les enzymes intracellulaires.

  • Phosphorylation : Effectuée par des kinases sur des résidus sérine, tyrosine ou thréonine, hydrolysant l'ATP. Peut activer ou inactiver l'enzyme.

  • Déphosphorylation : Effectuée par des phosphatases. Peut activer ou inactiver l'enzyme.

  • Processus rapide (de l'ordre de la seconde) et régulé hormonalement (ex: insuline, glucagon).

Exemple : Régulation coordonnée glycogénolyse et glycogénogenèse

  • Glycogénogenèse : (synthèse de glycogène) catalysée par la Glycogène synthase (forme active = non phosphorylée).

  • Glycogénolyse : (dégradation du glycogène) catalysée par la Glycogène phosphorylase (forme active = phosphorylée, elle-même activée par phosphorylation par la glycogène phosphorylase kinase).

Activation par protéolyse

  • Synthèse des enzymes sous forme inactive (proenzymes, pré-enzymes, zymogènes).

  • Processus irréversible : hydrolyse de liaisons peptidiques du zymogène pour libérer l'enzyme active.

Cas des enzymes digestives

  • Les protéases sont synthétisées sous forme de zymogènes inactifs par le pancréas exocrine, stockées puis activées dans la lumière intestinale.

  • Précurseurs : Chymotrypsinogène (pour la chymotrypsine), proélastase (pour l'élastase), procarboxypeptidase (pour la carboxypeptidase).

  • Activation :

    • Par la trypsine : active simultanément ces 3 zymogènes.

    • La trypsine est elle-même produite à partir de son zymogène, le trypsinogène, activé par l'entéropeptidase.

    • La trypsine favorise son auto-activation.

  • C'est une activation simultanée, en cascade et coordonnée.

Glycogène phosphorylase du muscle squelettique : modes de régulation

  • Rôle : Dégradation du glycogène en glucose-1-phosphate, utilisé pour produire l'ATP nécessaire à la contraction musculaire.

  • Enzyme allostérique : Dimer, chaque sous-unité a un site de fixation du substrat (glycogène), un site de régulateurs allostériques et un site de phosphorylation. Équilibre entre état R (actif) et T (inactif).

  • Régulation par phosphorylation réversible :

    • Phosphorylation par une glycogène phosphorylase kinase (activation) : l'équilibre est déplacé vers l'état R actif.

    • Déphosphorylation par une glycogène phosphorylase phosphatase : l'équilibre est déplacé vers l'état T inactif.

  • Régulation allostérique :

    • Activation par l'AMP : L'AMP se fixe sur chaque sous-unité, induisant un changement de conformation qui déplace l'équilibre vers l'état R actif. L'enzyme devient active même sans phosphorylation.

    • Inhibition par l'ATP : L'ATP se fixe sur chaque sous-unité, induisant un changement de conformation qui déplace l'équilibre vers l'état T inactif.

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