Thème 2.5 Les enzymes Idée Essentielle: les enzymes contrôlent le métabolisme de la cellule.

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1 Thème 2.5 Les enzymes Idée Essentielle: les enzymes contrôlent le métabolisme de la cellule.

2 Nature de la science Le modèle expérimental : dans les expériences sur les enzymes, les mesures quantitatives précises doivent être répétées pour assurer la fiabilité. (3.2) Notions-Clés 2.5 N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer. 2.5 N2 La catalyse enzymatique implique le mouvement moléculaire et la collision de substrats avec le site actif. Les élèves doivent pouvoir tracer des graphiques pour montrer les effets attendus de la température, du pH et de la concentration du substrat sur l’activité enzymatique. Ils doivent pouvoir expliquer les patterns ou les tendances apparaissant sur ces graphiques 2.5 N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique. 2.5 N4 Les enzymes peuvent être dénaturées. 2.5 N5 Les enzymes immobilisées sont largement utilisées dans l’industrie.

3 Nature de la science Le modèle expérimental : dans les expériences sur les enzymes, les mesures quantitatives précises doivent être répétées pour assurer la fiabilité. (3.2) Compétences et Applications 2.5 A1 Les méthodes de production de lait sans lactose et ses avantages. La lactase peut être immobilisée dans des billes d’alginate et des expériences dans lesquelles le lactose du lait est hydrolyse peuvent être réalisées 2.5 C1 La conception d’expériences pour tester l’effet de la température, du pH et de la concentration du substrat sur l’activité enzymatique. 2.5 C2 L’étude expérimentale d’un facteur affectant l’activité des enzymes. (Exercice de travaux pratiques 3).

4 2.5.N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer. 2.5.U2 La catalyse enzymatique implique le mouvement moléculaire et la collision de substrats avec le site actif. Enzyme: Aune protéine globulaire qui augmente le taux de réaction biochimique en réduisant le seuil d’énergie d’activation (ex. un catalyseur biologique) Utiliser cette animation afin d’en apprendre plus sur les enzymes et comment elles fonctionnent. Un autre alternative est How Enzymes Work de McGraw and Hill

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6 2.5.U2 La catalyse enzymatique implique le mouvement moléculaire et la collision de substrats avec le site actif. La rencontre de la molécule du substrat et du site actif est connu comme une collision La majorité des réactions enzymatiques ont lieu lorsque les substances sont dissoutes dans l’eau Toutes les molécules dissoutes dans l’eau sont en mouvement aléatoire, avec chaque molécule se déplaçant de façon séparée. Si elle n’est pas immobilisée, l’enzyme peut aussi se déplacer, mais les enzymes ont tendance à être plus grosses que le substrat alors se déplacent lentement Les collisions sont le résultat des mouvements aléatoires du substrat et de l’enzyme. Le substrat peut être à n’importe quel angle lorsqu’il entre en collision avec l’enzyme Les bonnes collisions sont celles dans lesquelles le substrat et le site actif sont alignés parfaitement pour permettre la fusion de ceux-ci. The simulation from KScience allows you to both see enzyme kinetics happening and secondly how it is affected by different factors

7 L'enzyme abaisse le niveau d'activation de la réaction
Réaction sans enzyme Énergie d'activation de la réaction sans enzyme Énergie d'activation de la réaction avec enzyme Réaction avec enzyme Énergie dégagée par la réaction p. 101

8 L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction
Mode d'action d'une enzyme L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction Les enzymes peuvent catalyser de une à mille réactions à la seconde.

9 Substrat(s) Produit(s) enzyme

10 Détail des interactions chimiques au niveau du site actif d’une enzyme qui catalyse la réaction :
O = CR’- NHR O = CR’- OH + NH2R substrat produits Notez les interactions chimiques temporaires entre le produit et les acides aminés du site actif de l’enzyme.

11 Interactions au niveau du site actif de l’enzyme glycéraldéhyde-3-déshydrogénase qui catalyse l’addition d’un groupement phosphate au 3-phosphoglycéraldéhyde pour former du 1-3 diphosphoglycérate

12 2.5.N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer.

13 2.5.N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer.

14 2.5.N4 Les enzymes peuvent être dénaturées.
Pour des enzymes un changement de structure implique un changement dans le site actif. Si le site actif change de forme, le substrat ne peut plus s’y attacher. Enzyme avant dénaturation Substrat peut se lier au site actif Enzyme après dénaturation Substrat ne peut plus se lier au site actif

15 2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique. La température, le pH et la concentration du substrat peuvent tous avoir un impact sur l’activité enzymatique. Ci-dessus trois graphiques qui démontre comment un facteur peut affecter l’activité enzymatique. Votre objectif n’est pas de seulement recréer les graphiques mais de les annoter et d’expliquer leur forme en considérant ce qui se passe au niveau moléculaire.

16 2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique Températures faibles résultent en énergie thermique insuffisante pour l’activation d’une réaction catalysée par une enzyme. L’augmentation de la température cause l’augmentation de la vitesse et du mouvement de l’enzyme et du substrat, résultant en une activité enzymatique accrue Ceci est puisque une augmentation de l’énergie cinétique élevée cause plus de collision entre l’enzyme et le substrat. À une température optimale (varie chez les enzymes), le taux d’activité enzymatique sera à son maximum De hautes températures causeront la diminution de la stabilité de l’enzyme, puisque l’énergie thermique dérange les liaisons hydrogène maintenant l’enzyme ensemble Ceci causera la déformation de l’enzyme et de son site actif, donc perte d’activité enzymatique

17 Différentes enzymes ont des pH optimum différents
2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique Changer le pH altèrera la charge de l’enzyme, ce qui changera la solubilité de la protéine qui pourrait causer un changement de forme de la molécule Le changement de forme ou du site actif diminuera son habileté à se fixer au substrat, arrêtant ainsi la fonction enzymatique Les enzymes ont un pH optimum et se déplacer à l’extérieur de celui-ci causera une réduction de l’activité Différentes enzymes ont des pH optimum différents

18 2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique

19 LE MÉTABOLISME Le produit d’une première réaction chimique est souvent le substrat d’une autre réaction chimique. Les réactions chimiques qui se déroulent successivement forment une voie métabolique. Voie métabolique principale A B C D E H Voie métabolique secondaire Chaque étape est catalysée par une enzyme

20 Exemple d’une voie métabolique : la glycolyse, première étape de la respiration cellulaire.
Au cours de la glycolyse, une molécule de glucose est transformée en deux molécules de pyruvate. Chacune des 9 étapes est catalysée par une enzyme spécifique.

21 Les enzymes d’une chaîne métabolique peuvent être intégrées dans la membrane de la cellule ou d’un organite de la cellule. Le produit d'une enzyme est immédiatement disponible à l'enzyme suivante qui doit le transformer.

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23 Plusieurs enzymes d’une même voie métabolique peuvent aussi s’associer en un complexe enzymatique.
Ex. : complexe pyruvate déhydrogénase Le complexe pyruvate déhydrogénase est formé de 60 enzymes qui représentent trois enzymes différentes. Le produit de la réaction d’une enzyme est immédiatement accessible à l’enzyme suivante sans que le produit ne se dilue dans le liquide intracellulaire.

24 Ex. les premières étapes de la respiration cellulaire :
p. 170, 171, 173 et177 Quelques centaines des milliers de réactions qui se déroulent dans la cellule Chaque étape est catalysée par une enzyme spécifique. Réactions illustrées aux pages

25 Les enzymes peuvent se déformer = dénaturation de l'enzyme
L'enzyme ne peut fonctionner que si elle possède une forme parfaitement adaptée à la ou aux molécules qu'elle catalyse. Les enzymes peuvent se déformer = dénaturation de l'enzyme Enzymes sensibles: aux températures élevées au pH trop élevé ou trop faible concentration élevée d’électrolytes (sels) p

26 Les enzymes peuvent servir à assembler de petites molécules en plus grosses = anabolisme
OU à défaire de grosses molécules en plus petites = catabolisme à modifier des molécules en d'autres molécules semblables (changer un glucose en fructose, par exemple) Une enzyme donnée ne peut catalyser qu'une réaction bien précise. Il y a donc autant d'enzymes différentes que de réactions différentes.

27 Cofacteur et coenzyme p. 104
Cofacteur = petite molécule se fixant sur le site actif. Sans le cofacteur, le site actif est inactif. Beaucoup de cofacteurs sont des ions métalliques (Cu, Zn, Mn, etc.) Certains sont de petites molécules organique (par rapport à la taille de l’enzyme); on les appelle alors coenzymes. Beaucoup de vitamines sont des coenzymes (ou sont des précurseurs de coenzymes)

28 INHIBITION ENZYMATIQUE
Certaines substances chimiques peuvent inhiber le fonctionnement d’une enzyme = inhibiteurs enzymatiques L’inhibiteur agit en se liant chimiquement à l’enzyme. La liaison de l’inhibiteur avec l’enzyme empêche l’enzyme de fonctionner. L’inhibiteur peut se fixer dans le site actif ou ailleurs sur l’enzyme. Un inhibiteur enzymatique peut être : Irréversible : la liaison de l’inhibiteur avec l’enzyme est irréversible; l’enzyme ne peut plus fonctionner. Réversible : la liaison de l’inhibiteur avec l’enzyme est réversible; si la concentration en inhibiteur diminue, l’inhibiteur peut se séparer de l’enzyme à laquelle il s’était lié.

29 Un inhibiteur réversible peut être compétitif ou non compétitif :
Un inhibiteur compétitif ressemble chimiquement au substrat et entre en compétition avec lui pour se fixer au site actif. L’inhibiteur compétitif diminue donc le rendement de l’enzyme. Inhibiteur compétitif Un inhibiteur non compétitif se lie à l’enzyme et altère la conformation de l’enzyme de sorte que le substrat ne peut plus se lier ou se lie moins bien au site actif. La réaction catalysée est arrêtée ou ralentie. Inhibiteur non compétitif p. 104

30 Beaucoup d’antibiotiques sont des inhibiteurs de certaines enzymes bactériennes.
La pénicilline est un inhibiteur irréversible d’une enzyme (la transpeptidase) essentielle à la fabrication de la paroi de certaines bactéries (les bactéries sont recouvertes d’une paroi rigide faite de polymères). Pourquoi cet antibiotique est-il sans conséquence pour les cellules du patient alors qu’il est mortel pour les bactéries? L’Aspirine (acide acétylsalycilique) est un inhibiteur irréversible de la cyclooxygénase une enzyme nécessaire à la production d’une hormone responsable de l’inflammation.

31 Le Viagra™ est un médicament qui avait été développé pour traiter les cardiaques. Il a pour effet de faciliter la dilatation des artères. C’est un inhibiteur compétitif de l’enzyme phosphodiestérase, laquelle enzyme sert à détruire le GMP cyclique, une substance de la paroi des artères essentielle dans le mécanisme de la dilatation. Voir : The search for Viagra Le cyanure est un inhibiteur irréversible d'une enzyme appelée cytochrome oxydase. Cette enzyme est essentielle à l'une des dernières étapes de la respiration cellulaire. Sans elle, la respiration cesse, c'est la mort. Le Zyclon-B de triste mémoire pour son utilisation dans les camps de la mort nazis était constitué de granules poreux imbibés d'acide cyanhydrique (HCN).

32 Les statines comme l'atorvastatine (Lipitor® ) ou la lovastatine (Mevacor®) sont des médicaments utilisés pour abaisser le taux de cholestérol sanguin chez les patients qui ont un taux élevé de cholestérol. Ce sont des inhibiteurs compétitifs de la HMG-CoA réductase, une enzyme qui joue un rôle capital dans la synthèse du cholestérol dans le foie.

33 LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES
La régulation allostérique p. 105 Un activateur allostérique stabilise la forme active Un inhibiteur allostérique stabilise la forme inactive

34 X A B C D E LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES La rétro-inhibition
p. 106 A B C D E Voie métabolique X E1 E2 E3 E4 La molécule E est un inhibiteur allostérique de l’enzyme E1

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36 Common uses of enzymes in industry include:
2.5.N5 Les enzymes immobilisées sont largement utilisées dans l’industrie. Common uses of enzymes in industry include: Detergents contain proteases and lipases to help breakdown protein and fat stains Enzymes are widely used in the food industry, e.g. fruit juice, pectin to increase the juice yield from fruit Fructose is used as a sweetener, it is converted from glucose by isomerase Rennin is used to help in cheese production Enzymes are used to breakdown the starch in grains into biofuels that can be combusted Paper production uses enzymes to helping in the pulping of wood In the textiles industry enzymes help in the processing of fibres, e.g. polishing cloth to make it appear more shiny In the brewing industry enzymes help a number of processes including the clarification of the beer In Medicine & Biotechnology enzymes are widely used in everything from diagnostic tests tests to contact lens cleaners to cutting DNA in genetic engineering.

37 2.5.N5 Les enzymes immobilisées sont largement utilisées dans l’industrie.
Advantages of enzyme immobilization: Concentration of substrate can be increased as the enzyme is not dissolved – this increases the rate of reaction Recycled enzymes can be used many times, immobilized enzymes are easy to separate from the reaction mixture, resulting in a cost saving. o Separation of the products is straight forward (this also means that the the reaction can stopped at the correct time). Stability of the enzyme to changes in temperature and pH is increased reducing the rate of degradation, again resulting in a cost saving. Enzymes used in industry are usually immobilized. They are attached to a material so that their movement is restricted. Common ways of doing this are: Aggregations of enzymes bonded together Attached to surfaces, e.g. glass Entrapped in gels, e.g. alginate gel beads

38 2.5.A1 les méthodes de production de lait sans lactose et ses avantages

39 Production of Lactose-free milk
2.5.A1 les méthodes de production de lait sans lactose et ses avantages Production of Lactose-free milk Lactase obtained from commonly from yeast (bacteria is an alternative) Lactase is bound to the surface of alginate beads Milk is passed (repeatedly) over the beads The lactose is broken down into glucose and galactose The immobilized enzyme remains to be used again and does not affect the quality of the lactose free milk Other uses of lactose free milk: As a means to increase the sweetness of milk (glucose and galactose are sweeter in flavour), thus negating the need for artificial sweeteners As a way of reducing the crystallisation of ice-creams (glucose and galactose are more soluble than lactose) As a means of shortening the production time for yogurts or cheese (bacteria ferment glucose and galactose more readily than lactose)

40 What is the effect of substrate concentration?
2.5.C1 la conception d’expériences pour tester l’effet de la température, du pH et de la concentration du substrat sur l’activité enzymatique C2 l’étude expérimentale d’un facteur affectant l’activité des enzymes. (Exercice de travaux pratiques 3). Catalase is one of the most widespread enzymes. It catalyses the conversion of hydrogen peroxide, a toxic by-product of metabolism, into water and oxygen. H2O2 Catalase H2O O2 Possible research questions, what are you going to investigate (independent variable)? What is the effect of substrate concentration? What is the effect of temperature? What is the effect of pH? Which type of yeast has a higher concentration of catalase? Important things to consider: How are you going to vary the mass/volume/concentration of your variable? What units will you be measuring your variable in? Have you chosen an effect range or values to answer your question? Are the concentrations/chemicals you are using safe to handle?

41 How are you going to measure your results (dependent variable)?
2.5.S1 Design of experiments to test the effect of temperature, pH and substrate concentration on the activity of enzymes. 2.5.S2 Experimental investigation of a factor affecting enzyme activity. (Practical 3) How are you going to measure your results (dependent variable)? Are you measuring the increase of a product or the dissapearance of a substrate? Are you measuring directly (e.g. testing for the concentration of the product) or indirectly (change in pH)? What equipment will you be using to measure your results? What are the units and uncertainty given both the equipment and how you choose to use it? What time period do you need to run the experiment for? How fast is the enzyme action likely to be? How many repeats will you need to make sure your results are reliable?

42 How are you going to make sure it is a fair test (control variables)?
2.5.S1 Design of experiments to test the effect of temperature, pH and substrate concentration on the activity of enzymes. 2.5.S2 Experimental investigation of a factor affecting enzyme activity. (Practical 3) How are you going to make sure it is a fair test (control variables)? What variables other than your independent variable could affect the results? Why would these variables affect the results? How will you ensure each is kept constant and monitored? What level should they be kept constant at? If a control variable is too far from it’s optimum then it could limit the enzyme action and no change would be seen in the results. If a variable cannot be controlled it should still be discussed and considered as an uncontrolled variable. Safety and ethics: Are you using any equipment that may cause you or others harm? What steps have you taken to minimize this risk? If you intend to use animals have you first considered alternative subjects? If you still intend to use animals are subjects have you ensured both: no harm comes to them as a result of the experiment The experiment does not induce stress or conditions beyond that normally found in their natural environment

43 Bibliography / Acknowledgments
Jason de Nys

44 FIN Tiré de: Gilles Bourbonnais / Cégep de Sainte-Foy