Généralités Sur Les Enzymes [PDF]

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LES ENZYMES

1.4. Ligand Corps chimique ayant une liaison spécifique avec une enzyme · Toutes les molécules ayant une liaison spécifique avec une protéine, sont appelées ligands. · Pour chaque ligand, il existe au moins un site de fixation sur la protéine qui le reçoit.

Propriétés générales des enzymes 1. Biocatalyseurs spécifiques : c’est-à-dire qu’en agissant à des concentrations très petites,  Elles ne créent pas les réactions: elles accélèrent la vitesse des réactions chimiques  Elles abaissent l’énergie d’activation et augmentent la concentration des substrats à l’état activé  Elles n’interviennent pas dans l’équilibre des réactions chimiques réversibles

2. Les enzymes sont réparties sur des organites cellulaires différents et peuvent, ainsi, être qualifiées de " enzymes marqueurs ". Par leur position dans la cellule, elles sont distribuées comme: Enzymes extracellulaires: elles sont synthétisées à l'intérieur de la cellule, puis sécrétées dans l'espace extracellulaire. Enzymes intracellulaires: elles sont synthétisées et utilisées entièrement à l'intérieur de la cellule où elles sont généralement liées à des particules subcellulaires ou membranes intracellulaires

Propriétés générales des enzymes 3. L’activité enzymatique est intimement liée à la structure tridimensionnelle - Perte d’activité par dénaturation protéique - elles augmentent la vitesse des réactions chimiques, sans en modifier le résultat. A la fin de la réaction la structure de l’enzyme se retrouve inchangée.

3. Elles sont de nature protéique: Les enzymes sont en général des protéines globulaires de10000 à 150000 g/mol de sousunités • La masse molaire globale est souvent de plusieurs centaines de mille et peut atteindre plusieurs millions.

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Structure quartenaire : Les protéines qui contiennent plus d'une chaîne polypeptidique présentent un niveau supplémentaire d’organisation. Deux chaînes α : a1 et a2

Deux chaînes β : b1 et b2

4. 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.

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 sont des des ions (Fe2+, Mg2+, Zn2+ de l’anhydrase carbonique., etc) 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

Certains cofacteurs sont des molécules plus complexes synthétisées par les cellules :

coenzymes Les coenzymes sont des molécules organiques qui sont des 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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Spécificité de l'association [protéine - ligand] - Notion de site actif Toutes les protéines (sauf les protéines intrinsèquement non structurées) se replient dans une conformation dite native et c'est dans cette conformation qu'elles acquièrent leur activité biologique (leur pouvoir de catalyseur dans le cas des enzymes). Ce repliement aboutit à une structure tridimensionnelle fonctionnelle unique de la protéine. -Cette structure globale de la macromolécule permet à une région particulière, le site actif (souvent enfoui au sein de la protéine), d'adopter elle aussi une structure spatiale qui est reconnue par le ligand spécifique de la protéine 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 : 33

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. Ces résidus 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 34

La stéréochimie qui résulte de cet agencement unique des acides aminés qui constituent le site actif est la cause de la stéréospécificité de reconnaissance entre ces acides aminés et le (ou les) ligand(s). Le substrat induit un changement conformationnel du site actif de l'enzyme. Les orbitales des groupements catalytiques et du groupement réactionnel du substrat sont alignées de manière optimale pour l'acte catalytique .

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Deux modèles pour expliquer la spécificité des enzymes: 1. Hypothèse de la clé et la serrure 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 (FICHER 1894). Bien que Cette hypothèse ne soit extrêmement satisfaisante, on ne peut rendre compte de certaines observations:  Les enzymes ne sont pas des structure rigides comme les serrures  Il existe un mécanisme enzymatique à deux substrats appelé fixation ordonnée pour le quel un substrat B ne se fixe que si le substrat A l’est déjà.

2. Hypothèse de l’ajustement induit (Forme induite): - La flexibilité conformationnelle des protéines enzymatiques a conduit en 1958 DANIEL KOSHLAND a émettre que l’hypothèse que la forme du site actif est effectivement modifié par le substrat; il s’agit d’un processus de reconnaissance dynamique entre l’enzyme et les substrat. -La liaison du substart modifie la conformation de l’enzyme de sorte que la proteine et le substrat s’ajuste mieux l’un à l’autre. Le processus est rééllement interactif car la conformation du substrat change egalemnt pour mieux s’ajuster a celle de l’enzyme.

Ajustement induit

dynamique

Exemple de changement conformationnel et flexibilité de L’hexokinase : Cette enzyme catalyse la réaction : glucose + ATP glucose-6-P C’est une étape clé du métabolisme des glucides La fixation de glucose entraîne une modification conformationnelle indispensable à la mise en œuvre de la catalyse

II-Nomenclature des enzymes  Conceptions anciennes Rajout du suffixe " ase " au nom du substrat Exemple substrat= urée ; Uréase = enzyme transformant l’urée en ammoniac + CO2 Rajout du suffixe " ase " au type de réaction catalysée par l’enzyme Exemple : urée + H2O ammoniac +CO2 (hydrolase) Noms communs consacrés par l’usage : Exemple : pepsine, trypsine, chymotrypsine ….etc.

II-Nomenclature des enzymes  Conceptions actuelles

Numéro d’ordre Recommandation de l’union internationale de Biochimie (UIB) : enzyme dénommée par 4 chiffres séparés par des points Exemple : 1.1.1.1. = alcool déshydrogénase Nom systématique Nom commun recommandé (appellation consacrée par l’usage)

II- Nomenclature des enzymes  Les 4 chiffres recommandés par l’UIB:  X1: Premier chiffre(le plus important) = classe de l’enzyme  X2: Deuxième chiffre = sous-classe de l’enzyme (type de fonction du substrat participant à la réaction)  X3: Troisième chiffre = sous-sous-classe de l’enzyme (nature de l’accepteur)  X4: Quatrième chiffre = place de l’enzyme particulière à nommer dans la sous-sous-classe.

II-1 Nomenclature des enzymes selon le numéro d’ordre de l’UIB  X1: Les 6 classes principales d’enzymes (Premiers chiffres selon UIB): - 1. Classe des oxydo-réductases - 2. Classe des transférases -

3. Classe des hydrolases 4. Classe des lyases 5. Classe des isomérases 6. Classe des ligases

(OTHLIL)

II-2 Autre nomenclature des enzymes ( noms systématique et recommandé)  Nom systématique : 3 éléments de référence du nom systématique : - Nature du donneur - Nature de l’accepteur - Type de réaction catalysée Nom recommandé : Appellation consacrée par l’usage, comme dans le cas des conceptions anciennes

II-3.Application de la nomenclature des enzymes  Exemple 1 : phosphorylation du glucose α-D-glucose + ATP  α-D-glucose-6-phosphate + ADP - Numéro d’ordre = 2.7.1.1. - Nom systématique = ATP- α-D-glucose - 6phosphate transférase - Nom recommandé = Glucokinase

III-Type de réactions enzymatiques III-1. Les réactions d’oxydo-réduction - Transfert d’électrons avec ou non transfert de protons - Support du transfert : corps donneur et corps accepteur - Exemple : CH3-CH2OH + NAD  CH3-CHO + NADH2 Ethanol Acétaldéhyde - Faits marquants : transfert d’hydrogènes et d’électrons

III-Type de réactions enzymatiques III-2. Les réactions de transfert Exemple :phosphorylation du glucose Glucose + ATP  Glucose-6 P + ADP Enzymes de catalyses = transférases

III-Type de réactions enzymatiques III-3. Réactions d’hydrolyse - réactions réversibles - Enzymes de catalyse : hydrolases - Exemple : CH3-CO-O-CH2-CH2-N+(CH3)3 Acétylcholine



cH3-COOH + OH-CH2-CH2- N+(CH3)3

Acide acétique

+ Choline

III-Type de réactions enzymatiques III-4.Réactions catalysées par les lyases - Addition ou retrait de groupements à des carbones impliqués dans des liaisons

- Création ou saturation de doubles liaison

III-Type de réactions enzymatiques III-5. Réactions d’isomérisation - Réarrangements intramoléculaires - Enzymes de catalyse : isomérases - Catégories d’isomérases  Racémases :(série D  Série L)  Mutases : transfert interne de radical (exemple : Glucose-6-phosphate  Glucose-1-phosphate)  Epimérase ( exemple: Galactose glucose)  Cis trans-isomérase (exemple : Fumarate  Malate)

Exemple de nomenclature enzymatique: a) L’ anhydrase carbonique

Enzyme de la famille des lyases, catalysant l’hydratation du CO2 pour former de l’acide carbonique (H2CO3). C’est une réaction réversible. Equation de la réaction : CO2 + H2O H3CO2

Feuillet b Hélice a

Coude

b) Exemple 2 : La ribonucléase

Les ribonucléases (ou RNases) sont une classe de nucléases qui catalysent l'hydrolyse des liaisons phosphodiester de l'ARN. On distingue les exoribonucléases et les endoribonucléases. Les ribozymes sont des enzymes non protéiques.

Mécanisme de la réaction de RNase T1

c) Exemple 3 : L’amylase L’amylase est une enzyme salivaire ou pancréatique. Elles catalysant principalement l’hydrolyse de l’amidon en glucose.

Amylopectine et amylose = constituants de l’amidon

c) Réversibilité et irréversibilité : Les réactions catalytiques, comme tous les réactions chimiques sont des réactions réversibles. Toutefois, l’équilibre peut être fortement déplacé en faveur de la décomposition d’un métabolite donné, de sorte que la réaction est pratiquement irréversible. Certains produits subissent des transformations ( ionisation par exemple) qui rendent la réaction quasi-irréversible.

Exemple : R-CO-NH-R’ + H2O R-COOH + R’-NH2 R-COOH se dissocie et R’-NH2 se protone : R-COOH RCOO- + H+ RNH2 + H+ RNH3+ de sorte que la réaction inverse devient impossible.

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On distingue alors: 1. Une spécificité étroite ; l’enzyme ne catalyse qu’un seul substrat -L’uréase (enzyme végétale) n’agit que sur un seul substrat -L’amylase salivaire n’hydrolyse que l’amidon en maltose. 2. Une Spécificité large : exemple : -Les phospho-estérase hydrolysent les esters de l’acide phosphorique - La D galactosidase hydrolyse tous les Dgalactosides.

3. Stéréospécificité : Stéréospécificité par rapport au substrat : l’enzyme distingue entre les isomères Z et E (Cis-trans) ou entre les isomères optiques (LD) ; exemples : La trypsine, chymotrypsine (enzymes de digestion) n’hydrolysent que les acides aminés de configuration L - La fumarase (cycle de Krebs) n’hydrate que l’isomère E de l’acide fumarique.

Stéréospécificité de la réaction sur des analogues (épimères, énantiomères) d'un même substrat ex : glucose oxydase sur bDglucose donne D-gluconolactone : - à partir du bDglucose : 100% efficace - à partir du aDglucose : 0,6% efficace - à partir du Dgalactose : 0,1% efficace - à partir du 2-déoxyglucose : 25% efficace

Notion de Régulations Traductionnelles réversibles ou non a) Par modifications covalentes : cas des Phosphorylations ex : glycogène phosphorylase transforme Glycogène en Glu1P

cas des Adénylations - fixation d'une base azoté adénosine + phosphorylée (ex. AMP, ADP, ATP) - ex : glutamine synthétase de E. Coli

b) Thermosensibilité des enzymes - résultant de mutations ex 1 : Tyrosinase qui participe à la synthèse de mélanine : devenue thermosensible (à 1 ou 2° près) chez les chats siamois et ne permet pas la synthèse à 37°C sauf dans les parties les froide du corps = extrémités des pattes, oreilles, face ex 2 : Enzymes définitivement inactives : albinisme = Tyrosine 3 monooxygénase - Protéines chaperonnes : - Hsp 70 précoces au niveau du complexe ribosomique - Hsp 60 tardif avant protéolyse

c) Activation de proenzymes inactifs ex : activation intestinale par l'entérokinase des zymogènes des enzymes protéolytiques pancréatiques (trypsinogène, chymotrypsinogène, procarboxypeptidase) - Ces phénomènes sont autocatalytiques - Ils permettent de n'activer les enzymes que dans les lieux où cela est nécessaire (digestion intestinale) - C'est un moyen de protection des cellules produisant ces enzymes contre une autodigestion