Enzyme

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Enzyme
Concept
GastricLipase.jpg
Lipase gastrique (structure)
Informations
Terme anglais Enzyme
Wikidata ID Q8047
Spécialité Biochimie

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Chaque jour, des milliards de réactions biochimiques se produisent dans notre corps pour permettre les processus métaboliques essentiels. Les enzymes sont des protéines qui agissent sur des substrats et qui diminuent l'énergie d'activation nécessaire pour qu'une réaction chimique se produise en stabilisant l'état de transition. Cette stabilisation accélère les vitesses de réaction et permet une production à des taux physiologiquement significatifs. Les substrats se fixent à des endroits spécifiques sur les enzymes, appelés les sites actifs. Ces derniers sont généralement très spécifiques et ne lient que certains substrats spécifiques que pour certaines réactions. Sans enzymes, la plupart des réactions métaboliques prendraient beaucoup plus de temps et ne seraient pas assez rapides pour entretenir la vie.[1]

1 Structure[modifier | w]

Structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire des protéines

Les enzymes sont des protéines composées d'acides aminés. Cette séquence d'acides aminés qui forme une chaîne polypeptidique est appelée la structure primaire. La structure secondaire d'une protéine décrit les structures de chaîne polypeptidique localisées, par exemple, les hélices α ou les feuillets β.[1] Le repli tridimensionnel complet d'une chaîne polypeptidique en une sous-unité protéique est appelé la structure tertiaire. Une protéine peut être composée d'une (un monomère) ou de plusieurs sous-unités (par exemple, un dimère). L'agencement tridimensionnel des sous-unités est connu comme étant la structure quaternaire. La structure des sous-unités est déterminée par la séquence et les caractéristiques des acides aminés dans la chaîne polypeptidique.

Le site actif est un sillon ou une crevasse sur une enzyme dans laquelle un substrat peut se lier afin de faciliter la réaction chimique catalysée. Les enzymes sont typiquement spécifiques, car la conformation des acides aminés dans le site actif stabilise la liaison spécifique du substrat. Le site actif occupe généralement une partie relativement petite de l'enzyme. [2][3][1]

2 Classification[modifier | w]

Il existe six grandes catégories d'enzymes : les oxydoréductases, les transférases, les hydrolases, les lyases, les isomérases et les ligases. Chaque catégorie effectue un type de réaction, mais catalyse de nombreuses réactions spécifiques différentes au sein de sa propre catégorie. Certaines enzymes, appelées apoenzymes, sont inactives jusqu'à ce qu'elles soient liées à un cofacteur qui active l'enzyme. Celui-ci peut être un ion métallique (par exemple, le zinc) ou un composé organique qui se fixe de manière covalente ou non covalente à l'enzyme. Le complexe cofacteur et apoenzyme est appelé holoenzyme.

3 Moléculaire[modifier | w]

Il existe deux modèles différents de liaison du substrat au site actif d'une enzyme.[4][5][6][7][1]

  • Le premier modèle est celui d'une serrure et d'une clé et il propose que la forme et la chimie du substrat sont complémentaires à la forme et la chimie du site actif de l'enzyme. Cela signifie que lorsque le substrat entre dans le site actif, il s'adapte parfaitement et les deux se lient, formant le complexe enzyme-substrat.
  • L'autre modèle est appelé le modèle d'ajustement induit. L'hypothèse proposée est que l'enzyme et le substrat n'ont pas initialement la forme, la chimie ou l'alignement complémentaire précis, mais plutôt que cet alignement est induit au site actif par la liaison du substrat. La liaison du substrat à une enzyme est généralement stabilisée par des interactions moléculaires locales avec les résidus de la chaîne polypeptidique.

Il existe quatre mécanismes communs par lesquels la plupart de ces interactions se forment et modifient le site actif pour créer le complexe enzyme-substrat: la catalyse covalente, la catalyse acide-base générale, la catalyse par approximation et la catalyse ionique métallique. [1]

  • La catalyse covalente se produit lorsqu'un ou plusieurs acides aminés dans le site actif forment transitoirement une liaison covalente avec le substrat. Cette réaction prend généralement la forme d'un intermédiaire par une attaque nucléophile des résidus catalytiques, ce qui aide à stabiliser les états de transition ultérieurs.
  • La catalyse acide-base générale a lieu lorsqu'une molécule autre que l'eau agit comme donneur ou accepteur de protons. L'eau peut être l'un des donneurs ou des accepteurs de protons dans la réaction, mais elle ne peut pas être la seule. Cette caractéristique peut parfois aider à rendre les résidus catalytiques de meilleurs nucléophiles afin qu'ils attaquent plus facilement les acides aminés du substrat.
  • La catalyse par approximation se produit lorsque deux substrats différents travaillent ensemble dans le site actif pour former le complexe enzyme-substrat. Un exemple courant implique que l'eau pénètre dans le site actif pour donner ou recevoir un proton après qu'un substrat s'est déjà lié afin de former de meilleurs nucléophiles qui peuvent former et rompre des liaisons plus facilement.
  • La catalyse des ions métalliques implique la participation d'un ion métallique sur le site actif de l'enzyme, ce qui peut aider à faire du résidu attaquant un meilleur nucléophile, ainsi que stabiliser toute charge négative dans le site actif.

Les enzymes peuvent être soit une seule sous-unité, soit être composées de plusieurs sous-unités. Les sous-unités d'une enzyme à plusieurs sous-unités peuvent parfois fonctionner ensemble dans un mécanisme, appelé coopérativité, dans lequel une sous-unité en influence une autre pour des effets positifs de stimulation de l'activité ou des effets négatifs d'inhibition. Grâce à la coopérativité entre sous-unités, une enzyme peut prendre un état T ou un état R.[4][5][6][7][1]

  • L'état T, ou état tendu, entraîne moins d'affinité pour la liaison du substrat que ne le ferait une enzyme à l'état normal.
  • L'état R, ou état relaxé, entraîne une affinité plus élevée et une liaison au substrat accrue pour l'enzyme dans son ensemble.

Il existe également deux modèles différents pour la relation entre ces deux états d'une enzyme à plusieurs sous-unités.[4][5][6][7][1]

  • Le modèle concerté indique que lorsqu'une enzyme est à l'état T et qu'une sous-unité passe à l'état R, alors toutes les autres sous-unités passeront à l'état R en même temps, ce qui augmentera la liaison et l'affinité pour d'autres effecteurs. Ce modèle est également réversible, car si toutes les sous-unités sont à l'état R et qu'un effecteur se dissocie, elles iront toutes vers l'état T.
  • Le modèle séquentiel stipule quand à lui qu'une fois qu'un effecteur se lie à l'une des sous-unités, le reste de l'affinité de la sous-unité pour l'effecteur augmente, mais ils ne changent pas tous nécessairement d'un état à l'autre. Ils sont tout simplement plus susceptibles de changer également.

4 Fonction[modifier | w]

L'étape initiale se produit lorsqu'une enzyme (E) se lie à un substrat (S) pour former un complexe enzyme-substrat (ES) (réaction 1). L'augmentation de la concentration du substrat augmentera à son tour la vitesse de réaction jusqu'à ce qu'elle atteigne la vitesse maximale. Après la formation de l'ES, un produit (P) se forme et se dissocie de l'enzyme. Cette dernière est alors prête à répéter les étapes de catalyse. [1]

Réaction chimique simplifiée des enzymes

Les enzymes ne modifient pas l'équilibre d'une réaction donnée, mais affectent plutôt l'énergie libre requise pour initier une conversion, ce qui affecte la vitesse à laquelle la réaction se produira. Le pic d'énergie qui doit être surmontée pour qu'une réaction progresse est appelée énergie d'activation; c'est l'énergie la plus élevée sur un diagramme de réaction, et c'est la conformation la plus instable du substrat dans la réaction. Les enzymes n'ajoutent généralement pas d'énergie à la réaction, mais réduisent plutôt l'énergie de l'état de transition de sorte que moins d'énergie d'activation est requise.[1]

Schéma des différents types d'inhibition enzymatique

Les inhibiteurs sont des régulateurs qui se lient à une enzyme et inhibent sa fonctionnalité. Il existe trois types de modèles dans lesquels un inhibiteur peut se lier à une enzyme: l'inhibition compétitive, non compétitive et incompétitive. [1]

  • L'inhibition compétitive se produit lorsque l'inhibiteur se lie au site actif d'une enzyme où le substrat se lierait habituellement, empêchant ainsi le substrat de se lier. Pour les enzymes obéissant à la cinétique de Michaelis-Menten, il en résulte que la réaction a la même vitesse maximale, mais moins d'affinité pour le substrat de liaison.
  • L'inhibition non compétitive se produit lorsque l'inhibiteur se lie à un site sur l'enzyme autre que le site actif, mais entraîne une diminution de la capacité du substrat à se lier au site actif. Le substrat est toujours capable de se lier dans ce modèle, mais le site actif fonctionne moins efficacement. La vitesse maximale sous inhibition non compétitive diminue, mais l'affinité pour le substrat reste la même.
  • L'inhibition incompétitive a lieu lorsqu'un inhibiteur se lie uniquement au substrat enzymatique (ES dans la réaction 1). Cette réaction se produit généralement lorsqu'il y a au moins deux substrats ou produits dans une réaction. Dans l'inhibition incompétitive, la vitesse maximale et l'affinité de liaison diminuent toutes les deux. [1]

Un autre type d'inhibition se produit avec les enzymes allostériques. Ceux-ci peuvent se lier à une molécule appelée effecteur allostérique, ce qui affectera soit la Vmax de la réaction catalytique, soit l'affinité de liaison au substrat.

5 Importance clinique[modifier | w]

La connaissance des enzymes est essentielle en médecine pour diagnostiquer de nombreuses maladies. Dans les études cliniques, les enzymes peuvent agir comme des marqueurs qui identifient les états pathologiques dans le corps. Les médecins peuvent souvent déterminer quel type de maladie affecte un patient ainsi que quel organe est endommagé en caractérisant les enzymes libérées dans la circulation. Les enzymes peuvent également être un composant dans une biopsie tissulaire et fournir des informations de diagnostic détaillées.[8][1]

6 Références[modifier | w]

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 et 1,11 (en) Lewis T et Stone Wl, « Biochemistry, Proteins Enzymes », sur PubMed, 2020 jan (PMID 32119368, consulté le 10 août 2020)
  2. Peter K. Robinson, « Enzymes: principles and biotechnological applications », Essays in Biochemistry, vol. 59,‎ , p. 1–41 (ISSN 1744-1358, PMID 26504249, Central PMCID 4692135, DOI 10.1042/bse0590001, lire en ligne)
  3. Rhys Cutlan, Simone De Rose, Michail N. Isupov et Jennifer A. Littlechild, « Using enzyme cascades in biocatalysis: Highlight on transaminases and carboxylic acid reductases », Biochimica Et Biophysica Acta. Proteins and Proteomics, vol. 1868, no 2,‎ , p. 140322 (ISSN 1878-1454, PMID 31740415, DOI 10.1016/j.bbapap.2019.140322, lire en ligne)
  4. 4,0 4,1 et 4,2 Kohsuke Ohmatsu et Takashi Ooi, « Cationic Organic Catalysts or Ligands in Concert with Metal Catalysts », Topics in Current Chemistry (Cham), vol. 377, no 6,‎ , p. 31 (ISSN 2364-8961, PMID 31654245, DOI 10.1007/s41061-019-0256-1, lire en ligne)
  5. 5,0 5,1 et 5,2 Brian D. Weitzner, Yakov Kipnis, A. Gerard Daniel et Donald Hilvert, « A computational method for design of connected catalytic networks in proteins », Protein Science: A Publication of the Protein Society, vol. 28, no 12,‎ , p. 2036–2041 (ISSN 1469-896X, PMID 31642127, Central PMCID 6863703, DOI 10.1002/pro.3757, lire en ligne)
  6. 6,0 6,1 et 6,2 Tristan Wagner, Alexandra Boyko, Pedro M. Alzari et Victoria I. Bunik, « Conformational transitions in the active site of mycobacterial 2-oxoglutarate dehydrogenase upon binding phosphonate analogues of 2-oxoglutarate: From a Michaelis-like complex to ThDP adducts », Journal of Structural Biology, vol. 208, no 2,‎ 11 01, 2019, p. 182–190 (ISSN 1095-8657, PMID 31476368, DOI 10.1016/j.jsb.2019.08.012, lire en ligne)
  7. 7,0 7,1 et 7,2 Shanyan Chang, Misao Mizuno, Haruto Ishikawa et Yasuhisa Mizutani, « Tertiary dynamics of human adult hemoglobin fixed in R and T quaternary structures », Physical chemistry chemical physics: PCCP, vol. 20, no 5,‎ , p. 3363–3372 (ISSN 1463-9084, PMID 29260810, DOI 10.1039/c7cp06287g, lire en ligne)
  8. Thiagarajan Hemalatha, Thiagamoorthy UmaMaheswari, Gunasekaran Krithiga et Palavesam Sankaranarayanan, « Enzymes in clinical medicine: an overview », Indian Journal of Experimental Biology, vol. 51, no 10,‎ , p. 777–788 (ISSN 0019-5189, PMID 24266101, lire en ligne)

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