1.4 Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Notions fondamentales : catalyse, substrat, produit, spécificité.

A. Les enzymes, catalyseurs biologiques spécifiques

a. Le rôle des enzymes dans le métabolisme cellulaire - livre p84-85

Des réactions chimiques ont lieu en permanence dans les cellules : c’est le métabolisme.

TP 7 Hydrolyse de l’amidon

Beaucoup de ces réactions appartiennent à deux voies métaboliques principales :

• réactions d’hydrolyse : une grosse molécule est cassée en plus petites molécules, cette réaction consomme de l’eau et libère de l’énergie. Par exemple (doc3p84), la molécule d’amidon (polymère, doc2p84) est hydrolysée (=coupée) en plusieurs molécules de maltose (dimères) elles-mêmes recoupées en molécules de glucose (monomères). Cette hydrolyse a lieu lors de la digestion de l’amidon, grâce à l’action d’un catalyseur biologique, l’amylase (doc1p84). On peut aussi hydrolyser l’amidon par réaction purement chimique (doc6-7p85). L’hydrolyse et toutes les réactions dans lesquelles on casse une grosse molécule en plus petites appartient aux réactions du catabolisme.

• réactions de condensation : plusieurs petites molécules s’assemblent pour en former une grosse, et cette réaction libère de l’eau. Par exemple, lors de la traduction, des acides aminés s’assemblent et sont reliés entre eux par des liaisons peptidiques : la chaîne qu’ils forment est une protéine (polymère d’acides aminés). Cette réaction nécessite de l’énergie et l’intervention de plusieurs enzymes, dont les ribosomes (enzymes non protéiques puisque ce sont des ARN). Ces réactions de synthèse sont rarement possibles sans catalyseurs biologiques, elles appartiennent aux réactions de l’anabolisme.

Les activités du TP permettent de mettre en évidence quelques propriétés des enzymes :

• • Elles accélèrent des réactions qui normalement peuvent se faire à des vitesses très lentes (40 min avec l’hydrolyse acide et 10 min avec l’enzyme) : elle catalyse la réaction (= accélération d’une réaction par la présence d’une substance, le catalyseur)

• • elles agissent à faible concentration

• • elles sont retrouvées intactes après la réaction de catalyse

Ces trois propriétés font des enzymes des catalyseurs (= des réactions qui se passent dans l’organisme : ce sont des biocatalyseurs.)

b. La spécificité des enzymes - livre p86-87

TP 8 La spécificité de substrat des enzymes

Dans les cellules, les étapes de catalyse dans les chaînes métaboliques sont nombreuses entre un substrat (= molécule sur laquelle agit une enzyme) de départ et les produits finaux. Pour chaque étape, une enzyme intervient avec une double spécificité :

• • Une enzyme est spécifique d’un substrat. Elle ne peut catalyser d’autres molécules. Ainsi le glucose oxydase ne peut catalyser que l’oxydation du glucose. Mise en présence de galactose ou de saccharose, l’enzyme n’a aucune action sur ces molécules.

• • Une enzyme présente une spécificité d’action : elle peut oxyder, hydrolyser ou transformer un groupement chimique.

Dans les cellules, cette double spécificité permet une transformation progressive d’un substrat en différant produits.

Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule.

La structure tridimensionnelle de l’enzyme lui permet d’interagir avec ses substrats et explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique.

B. Le mode d’action des enzymes – livre p88-89

a. Formation d'un complexe enzyme substrat

L’action enzymatique se déroule en deux étapes :

• Nécessité d’un contact temporaire entre l‘enzyme et son substrat : il y a formation du complexe enzyme- substrat (E+S ES) .Ce contact se fait au niveau du site actif qui présente deux zones : une zone de liaison constituée d’acides aminés présentant une complémentarité de forme avec le substrat ; Une zone constituée d’acides aminés catalytiques permettant la transformation du substrat en produit.
• Activation catalytique de la réaction au sein du complexe ce qui conduit à la transformation du substrat en produit (ES E+P).

complexe enzyme/substrat  ↓

Le complexe est transitoire. L’enzyme se retrouve donc intacte à la fin de la réaction et peut interagir avec une nouvelle molécule de substrat.

b. Vitesse de réaction enzymatique

TP 9 Cinétique enzymatique

On peut mesurer la vitesse à laquelle une enzyme agit : c’est la cinétique enzymatique. 

Soit la réaction E+S →  ES →  P

On obtient une hyperbole. On mesure la quantité de produit formé [P] au cours du temps : cette quantité est limitée par la quantité de substrat (on arrive à un plateau).

En début de réaction, plus le produit apparaît, plus la courbe est pentue.  La vitesse de la réaction est constante. Le coefficient directeur de la droite correspond à la vitesse initiale Vi.

Pour une concentration en enzyme constante, Vi  dépend de la concentration initiale en substrat. En effet, on voit que Vi3>Vi1 quand [S]3>[S]1 donc Vi augmente quand [S] augmente.

Par ailleurs, pour une concentration en substrat non limitante, Vi dépend de la quantité d’enzyme disponible.

En d’autres termes, dans une réaction de catalyse, la concentration en substrat [S] et/ou en enzymes sont des facteurs limitants.

La phase 2 correspond à la décroissance du nombre de produits fabriqué. Le coefficient directeur de la tangente a une valeur qui décroît en fonction du temps. La disponibilité et la quantité de substrat baisse pour l’enzyme.

La phase 3 correspond à une vitesse nulle. Il n’y a plus de substrat. Il ne peut plus y avoir de produit.

Si l’activité enzymatique est limitée par la concentration en enzymes, c’est que peu d’enzymes sont disponibles car elles sont « occupées » : en fait, c’est leur site actif qui est saturé. Dès qu’un produit est formé et libère le site actif, une autre molécule de substrat vient s’y loger, comme une clé dans une serrure : c’est la liaison enzyme/substrat. Elle est spécifique, conditionnée par la conformation spatiale du site actif.

La structure tridimensionnelle de l’enzyme lui permet d’interagir avec ses substrats et explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique.

Lors d’une réaction enzymatique, on peut également mesurer la vitesse de réaction en fonction de la quantité en substrat :

Au début de la réaction, la vitesse est rapide, elle est proportionnelle à la concentration en substrat. La vitesse de réaction devient optimale quand la quantité d’enzyme disponible est élevée. Puis on constate un infléchissement de la courbe qui traduit une baisse de la vitesse de la réaction enzymatique. De plus en plus de sites actifs sont occupés. A la fin, on atteint la Vmax : la vitesse de réaction enzymatique ne peut aller plus vite que la quantité d’enzyme présente. Tous les sites actifs sont occupés.

Travail personnel

• exercice 9p96 glucose oxydase et substrats

aide : expliquer l’allure des 3 courbes du document

on peut supposer que le changement de couleur de la bandelette glucotest est proportionnel à la quantité de H2O2 ou de glucolactone produite.

• exercice 7p95 lactate déshydrogénase de la souris

aide : une électrophorèse fait migrer des molécules dans un gel. Selon le procédé utilisé, on peut séparer les molécules selon leur taille (les plus grosses migrent moins vite) ou leur charge (les plus chargées migrent plus vite)

• 8p95 brunissement des salades

aide : un antioxydant protège des tissus contre l’oxydation due à l’oxygène.

• 10p96 traitement d’eaux polluées
• 12p97 taxol anticancéreux

aide : noter la réaction catalysée sous la forme : substrat → produit

la notion de site actif doit être utilisée

• 13p98 lactate déshydrogénase des myxines

aide : la mise en relation des documents est essentielle (je vois que, je sais que, je conclus que…)

• exercice type bac 3p100 maladie de Parkinson

aide : si LRRK2 est une enzyme, quel est son substrat ? son produit ?

expliquer le lien entre phosphorylation et maladie de Parkinson.

expliquer le rôle des 5 substances testées.

• exercice 11p97 peroxydase du raifort

aide : on peut utiliser un tableur, en choisissant “nuage de points” pour la courbe.

Article de Pour la Science (juin 2020) « Une nouvelle enzyme pour recycler les bouteilles en plastique« 

---

Savoirs : Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule. La structure tridimensionnelle de l’enzyme lui permet d’interagir avec ses substrats et explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique.