Introduction au métabolisme et à l’enzymologie Notions de Bioénergétique Introduction au métabolisme et à l’enzymologie

SOMMAIRE Généralités Enérgie de réaction Les deux lois de la thermodynamique Concepts de thermodynamique: l’enthalpie l’énergie libre spontanéité d’une réaction Prise en charge des réactions endergoniques L'ATP et le travail cellulaire: Les molécules "batteries« Couplage des réaction exer et endergonique Stockage de l’énergie

SOMMAIRE De l’énergie vitale à la notion d’enzyme Introduction aux enzymes Définitions Spécificité du substrat Coenzymes Régulation de l'activité enzymatique Classification des enzymes Termes communs utilisés en enzymologie Etude de la cinétique chimique Etude la cinétique enzymatique

Bioénergétique Généralités La bioénérgétique est l’étude des échanges et des transformations d’énérgie chez les êtres vivants Deux principes régissent les transformations d’énergie 1er principe: l’énergie total de l’univers reste constante (il y a concervation d’énergie) 2ème principe: l’entropie (désordre) de l’univers augmente (les transferts d’énergie s’accompagnent d’une  du désordre). La bioénergétique est essentielle pour comprendre le métabolisme (ensembles de réactions biologiques ordonnées)

Bioénergétique Généralités Les réactions biologiques se déroulent dans les solutions aqueuses (systèmes) où la T, la P et le V restent constants. Un être vivant peut donc être considéré comme un biosystème Un biosystème est défini comme un ensemble d’éléments matériels ayant des interactions entre eux. Ces interactions permettent le maintien de l’organisation fonctionnelle du biosystème L’écosystème représente tout ce qui est extérieur au biosystème.

Bioénergétique Généralités Pour sa survie, un biosystème doit sans arrêt assurer: le renouvellement de ses molécules, l’auto-réplication de sa forme et de sa structure et le maintien de l’homéostasie des compartiments qui le composent L'homéostasie est défini comme la capacité à conserver l'équilibre de fonctionnement d’un biosystème (ouvert) en dépit des contraintes de l’ecosystème.

L’homéostasie permet la régulation de la composition et la fluidité du sang pour éviter les déficits ou les excès, notamment en : Ions; sucre ; acidité; pH; osmolarité; température. Cette régulation se fait entre autres par le rythme cardiaque qui régule la diffusion des ions, des nutriments... à travers le corps ; la miction, élimination par les urines des excès (en eau, en ions) ; la sudation, élimination par la sueur des excès et abaissement de la température par évaporation ; la contraction musculaire, qui produit de la chaleur la faim et la soif, qui poussent à boire et à manger et donc permet des apports pour combler les déficits.

Bioénergétique Généralités Pour se maintenir en vie, le biosystème a besoin de l’énergie pour pouvoir produire du travail: - de synthèse chimique - osmotique - mécanique Un biosystème est donc un système ouvert qui tire son énergie de la transformation de la matière empruntée à l’écosystème Il rejette une autre forme d’énergie dans l’écosystème sous forme de matière et de chaleur Afin d’assurer un transfert continu d’énergie entre l’écosystème et le biosystème il faut donc une source d’énergie?

La source de l’énergie La source primaire d’énergie pour la vie est la lumière solaire Les photoautotrophes utilisent la lumière solaire pour synthétiser des hydrates de Carbone et l’O2 à partir de CO2 et H2O. Les hétérotrophes utilisent ces hydrates de carbones comme nutriments et en présence d’O2, ils libèrent CO2 et H2O dans l’atmosphère

La source de l’énergie L’énergie solaire est donc convertie en énergie chimique sous forme de molécules organiques synthétisées par les photo- autotrophes Le flux d’énergie de la biosphère est convoyé par le cycle du C La force motrice du système est donc l’énergie solaire.

Energie et métaboloisme Le métabolisme comprend des milliers de réactions chimiques complexes, précises et efficaces d'une cellule. Ces réactions sont ordonnées dans des voies métaboliques (autoroutes biochimiques contrôlées par des enzymes). C'est par ces voies métaboliques que les cellules produisent et transforment les molécules organiques qui leurs fournissent l'énergie nécessaire pour la vie. Les réactions cataboliques sont exergoniques (relâchent l'énergie entreposée dans les molécules complexes en les scindant en molécules plus petites).

Métabolisme Acétyl-CoA Pyruvate Polysaccharides Hexoses Pentoses ATP ADP + Pi Polysaccharides Hexoses Pentoses Lipides Acides gras Protéines Acides aminés Cycle de l’acide citrique L’urée Urée CO2 Chaîne de transport des électrons Phosphorylation oxydative O2 e-

Energie et métabolisme Les réactions anaboliques sont endergonique (requièrent de l'énergie pour combiner les molécules simples en molécules plus complexes). L'énergie requise pour les réactions endergoniques est souvent fournie par le couplage des voies anaboliques et cataboliques d'une cellule (l'énergie libérée lors d'une réaction catabolique est utilisée pour une réaction anabolique).

L’énergie = la vie C D E A B E Afin de se maintenir en vie, une cellule doit continuellement "travailler’’, pour cela, elle a besoin d'énergie (énergie = capacité à produire du travail). Travail mécanique (mouvements) Transport (traversée de substances à travers la membrane...) Travail chimique (assembler ou modifier des molécules: synthèse de molécules (anabolisme) ou dégradation des molécules (catabolisme). Anabolisme + catabolisme = métabolisme. Notion d’énergie de réaction  D'autres nécessitent de l'énergie: réactions endergoniques  Certaines réactions chimiques dégagent de l'énergie: réactions exergoniques C D E A B E

Transformations de l’énergie Une propriété fondamentale des organismes vivants est de convertir l’énergie en «travail biologique» La transduction énergétique transforme l’énergie chimique [provenant des nutriments oxydés (cas des hétérotrophes)] ou l’énergie lumineuse [cas des phototrophes] en: ATP, pour la synthèse de macromolécules complexes, gradients électrochimiques, mouvement, chaleur, …

Transformations de l’énergie Trois paramètres thermodynamiques décrivent les changements d’énergie lors d’une réaction biochimique à T et P constantes. L’énergie libre de Gibbs (G), est la quantité d’énergie capable d’effectuer un travail L’enthalpie (H), est la quantité de chaleur produite par le système réactionnel L’entropie (S), est l’expression quantitative du désordre dans un système.

Les deux lois de la thermodynamique : La thermodynamique est l'étude des transformations d'énergie. La première loi de thermodynamique: L'énergie totale de l'univers est constante: Elle ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut-être transférée entre les matières ou transformée d'une forme à une autre. La deuxième loi de thermodynamique: L’entropie de l’univers augmente car la transformation d'énergie entraine une augmentation du désordre.

Concepts de la thermodynamique: l’enthalpie Pour un système isolé si on augmente sa quantité de chaleur DQ cela va augmenter l’énergie interne du système DU ou produire une quantité de travail DW exécuté par le système: DQ= DU + DW ou DU = DQ – DW DQ s’appelle aussi la variation d’enthalpie désignée également par DH d’où l’équation fondamentale du premier principe: DU= DH - DW DH se mesure par calorimétrie directe

Concepts de la thermodynamique: l’enthalpie Exemple: l’oxydation du glucose C6H12O6 + O2 6CO2 + 6H20 DH = - 673 Kcal/mole Si DH < 0 la réaction est dite exothermique le système produit la chaleur Si DH > 0 la réaction est dite endothermique le système absorbe la chaleur La valeur énergétique du glucose est de 3,74 Kcal/g. Comme la MM=180g/mole, la valeur énergétique d’une mole du glucose est donc de 3.74Kcal/g x 180g/mole = 673 Kcal/mole (1 cal/g d’énergie calorifique est l’équivalent de 4,186 Joules) Les calculs d’échange d’énergie s’expriment toujours par rapport à l’état standard choisi arbitrairement (c’est l’état d’une substance sous sa forme la plus stable à une pression de 1 atm. et à température de 25°C = 298 °K)

Concepts de la thermodynamique: l’énergie libre La variation d’enthalpie et d’entropie sont liée dans l’équation de Gibbs à un troisième aspect de l’énergie (la variation de l’énergie libre: DG; notée également DF) DF = DH – TDS ; DH : variation d’enthalpie (énergie ou chaleur échangée entre le système et le milieu extérieur); T: température; DS: variation d’entropie (état de désordre qui ne fait qu’augmenter entre l’état initial et final d’une réaction).

Concepts de la thermodynamique: l’énergie libre Ainsi pour la réaction suivante: aA + bB + cC  pP + qQ + rR Keq= [P]p[Q]q[R]r / [A]a[B]b[C]c DG° = - RT Logn Keq DG°: variation de l’énergie libre standard (gain ou perte d’énergie libre d’un composé réactionnel à la concentration de 1 mole/l et à 25°C (298°K) R= Cste universel des gaz (1,987 cal/mole/°K) D G°298° = -1.987 x 298 X 2,3 log10 Keq Comme la plus part des réactions biologiques se déroulent à un pH=7 on utilise D G’ : variation d’énergie libre standard à pH=7 Ainsi si DG’ < 0 la réaction est dite exergonique si DG’ > 0 la réaction est dite endergonique

Concepts de la thermodynamique: spontanéité d’une réaction la variation d’enthalpie d’une réaction ne donne pas d’indication sur sa spontanéité (sens vers lequel le système tends à évoluer spontanément lorsqu’il est abandonné à lui même). Seul la variations d’énergie libre peut prédire ce sens. La variation d’enthalpie (DH°) d’une série de réactions est la somme algébrique des DH de ses différentes étapes d’ou la notion d’enthalpie de formation (DHf)

Concepts de la thermodynamique: spontanéité d’une réaction Soit la série de réaction suivante: A + B + C  P + Q + R DH°f = (DHfP + DHfQ + ….) – (DHfA + DHfB + ….) DH°f = SDHfP – SDHfR Au cours de la synthèse de nombreux composés à partir de leur élément de départ (C, O2, N2, H2 …etc) L’enthalpie de formation de ces élément est égale à zéro. exemple combustion de l’acide acétique: CH3COOH + 2O2  2CO2 + 2H2O DH° = [DHf(CO2) + DHf(H2O) ] – [DHf(CH3COOH) + (DHf(O2)] DH° = [(2x94,38) + (2x68,38 )] – [(1x209,4) + 0]= +116,12 Kcal/mole Il s'agit donc d’une réaction endothermique

Concepts de la thermodynamique: spontanéité d’une réaction Pour qu’une réaction puissent se faire spontanément sans apport d’énergie à partir du milieu extérieur elle doit être exergonique ou le bilan des réactions doit être exergonique Ainsi pour la série de réactions suivante A  B  C  ------  P ; KT= K1xK2x---- La variation d’énergie libre total (DG°T) de cette série de réactions est la somme algébrique des DG° de ses différentes étapes D G°1 = - RT Log KeqK1 D G°2 = - RT Log KeqK2 D G°T = DG°1 + DG°2 + DG°3 … d’ou la notion d’énergie libre de formation (DG°f) A + B + C  P + Q + R DG°T = (DG°fP + DG°fQ + ….) – (DG°fA + DG°fB + ….) DG°T = SDG°fP – SDG°fR La réaction est spontanée si DG°T est < 0 (réaction exergonique)

Analysons la situation à l’aide d’un exemple : la variation d’énergie libre lors de la réaction catalysée par la phosphoglucomutase Au départ 20 mM 0 mM A l’équilibre 1 mM 19 mM D’où on peut calculer la variation d’énergie libre : Cette réaction a un DG’0 < 0, on peut conclure qu’elle peut évoluer spontanément dans le sens de la formation de glucose 6-phosphate à partir de glucose 1-phosphate.

Fournir l'énergie aux réactions endergoniques Les réactions endergoniques ont besoin d'énergie pour se dérouler. Pour cela il faut coupler deux réactions une endergonique et une exergonique. Si le bilan global est exergonique, la réaction endergonique se déroulera par l’intermédiaire de la réaction exergonique. Les besoins en énergie des réactions endergoniques sont assurés à l'aide d'un petit nombre de molécules ‘’batteries’’ qui sont impliquées en général dans une réaction d’hydrolyse.

DG = -2871 KiloJoules d'énergie par mole de glucose (KJ/mol) Exemple d’une réaction exergonique qui peut fournir l'énergie qu'elle dégage à une réaction endergonique. Ex. Oxydation du glucose: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 HO2 E Utilisée pour les réactions endergoniques (régénération de l’ATP utilisé pour le travail cellulaire) exergonique DG = -2871 KiloJoules d'énergie par mole de glucose (KJ/mol) Le transfert d'énergie de la respiration (exergonique) aux réactions endergoniques se fait par l'intermédiaire d'une molécule ‘’batterie’’ : l ’Adénosine Triphosphate ou ATP.

Prenons un exemple : La réaction a un DG’0 > 0. En conditions standards, elle ne se produira pas spontanément (réaction endergonique). La réaction a un DG’0 < 0. En conditions standards, elle se produira spontanément (réaction exergonique). L’énergie en excès servira au déroulement de la réaction endergonique. La somme des DG’0 < 0 (-16,7). L’énergie stockée dans les liens esters de l’ATP sert donc de force motrice pour la synthèse de glucose 6-phosphate

L'ATP et le travail cellulaire Une cellule doit faire plusieurs types de travail: Travail mécanique impliqué dans le mouvement de la cellule Travail de transport de molécules à travers la membrane cellulaire Travail chimique qui amorce les réactions endergoniques de la synthèse des macromolécules. La source immédiate de l'énergie requise pour ces types de travaux provient de l'adénosine triphosphate ou ATP.

Comment l'ATP fait le travail La transformation vers un état plus stable relâche de l'énergie. Dans une cellule cette énergie peut être utilisée pour transférer un groupement phosphate de l'ATP à une autre molécule, ce qui produit un intermédiaire phosphorylé qui est plus réactif. Cette phosphorylation des molécules par l'ATP est à la base de la plupart du travail cellulaire.

Comment l'ATP fait le travail Une cellule régénère son ATP à un taux trés élevé. La formation de l'ATP à partir de l’ADP est une réaction endergonique avec un DG=+30,5 kj/mol. La respiration cellulaire (la dégradation du glucose et autres molécules énergétiques) fournie l'énergie pour la régénération de l'ATP. Les plantes produisent aussi de l'ATP en utilisant l'énergie lumineuse.

Comment l'ATP fait le travail

Les molécules "batteries" Elle sont riches en énergie. La plus courante est l'adénosine triphosphate (ATP) pour les réactions d’hydrolyses ou les dérivés du nicotinamide (NADH) pour les réactions d'oxydoréduction. Mais après usage, ces molécules doivent être rechargé, certaines voies métaboliques assurent leur resynthèse à partir de leur produit de dégradation (AMP et ADP pour l'ATP et NAD pour le NADH)

Adénosine triphosphate (ATP) Une base azotée : ADENINE Un sucre à 5 carbones: RIBOSE 3 groupements phosphates (H3PO4) P E L ’énergie chimique est stockée dans les liaisons entre les phosphates

Hydrolyse d’une liaison phosphate = libération d'énergie Cette réaction d'hydrolyse relâche 30,5 kj d'énergie par mole d'ATP. Adénosine diphosphate (ADP) E + Phosphate inorganique (Pi) Adénosine triphosphate (ATP) On peut recharger l’ADP si on fournit de l'énergie  L ’ATP contient 2 liaisons Phosphate-Phosphate qui peuvent être hydrolysées. La coupure de la 2ème liaison P est moins énergétique que celle de la 1ère liaison

Cycle de l’ATP L’ATP est la monnaie énergétique de la cellule. Il est formé, à partir: 1. d’ADP, lors de la photosynthèse, grâce à l’énergie lumineuse (phototrophes)… 2. des réactions cataboliques du métabolisme oxydatif de nombreux nutriments (hétérotrophes) : glycolyse, cycle de Krebs, mais surtout phosphorylations oxydatives

L'énergie libérée par la transformation de l'ATP en ADP peut servir pour activer une réaction endergonique: On représente ce type de réaction (réaction couplée) où l'une fournit l'énergie nécessaire à l'autre par une double flèche :

De même, une réaction exergonique peut fournir l'énergie nécessaire pour reformer de l'ATP à partir d'ADP et de Pi OU

L'énergie du glucose s'accumule dans les ATP Chaleur L ’oxydation d'une molécule de glucose dégage assez d'énergie pour assembler 36 ATP L'énergie du glucose s'accumule dans les ATP

Pour poursuivre l'activité, il faut recycler l'ADP en ATP Stockage d’énergie: créatine L’énergie ne peut être stocké sous forme d’ATP Dans une cellule au repos: ATP >>> ADP Les réserves d'ATP sont faibles : ~ 100g d'ATP Dans une cellule musculaire en activité: Les réserves d'ATP s'épuisent en ~ 5 s Pour poursuivre l'activité, il faut recycler l'ADP en ATP

Créatine : molécule pouvant stocker de l'énergie et la céder pour former rapidement de l'ATP à partir d'ADP. La créatine peut accumuler de l'énergie en prenant un groupement phosphate à l'ATP Créatine Créatine phosphate Rq: Fabriqué par l'organisme à partir de certains acides. On en trouve aussi dans les viandes et le poisson.

La créatine-P peut rapidement céder son groupement P à l'ADP pour reformer de l'ATP Au repos: synthèse de créatine phosphate Activité intense: formation d'ATP à partir de créatine phosphate

De l’énergie vitale à la notion d’enzyme saccharose glucose + fructose Ces réactions ne peuvent pas avoir lieu spontanément malgré qu’elles se font rapidement dans les organismes vivants Plantes Intestin La découverte des enzymes

De l’énergie vitale à la notion d’enzyme les êtres vivants possèdent donc une « énergie vitale » qui est responsable de toutes les réactions qui se déroulent dans les cellules. Cette théorie vitaliste est aujourd'hui complètement abandonnée suite à la découverte des enzymes. Les êtres vivants possèdent les enzymes nécessaires au déroulement de ces réactions

Signification Le mot enzyme vient du grecques et signifie: en (dans) zyme (levain). Car les premières enzymes identifiées ont été extraites des levures, Le levain, est l'espèce de levures vivantes dans la pâte qui est utilisé par les boulangers pour faire lever le pain. ces microorganismes sont responsables de la transformation du glucose en alcool.

Les enzymes abaissent l'énergie d'activation: Au cours des réactions chimiques il y’a réarrangement des atomes entrainant le clivage ou la formation des liaisons chimiques. L'énergie d'activation ou l'énergie libre d'activation (DGA) est l'énergie qui doit être absorbée par les réactifs pour que leurs liaisons soient brisées.

Les enzymes abaissent l'énergie d'activation: Les réactifs doivent atteindre un état de transition instable dans lequel les liaisons sont plus fragiles et plus faciles à briser. La réaction peut ensuite se faire à partir de cet état de transition. L'état de transition est atteint en ajoutant de l'énergie thermique (chaleur) de l'environnement, ce qui stimule plus la collisions entre les molécules des réactifs. Même une réaction exergonique, où le DG est négatif, requiert l'absorption d'énergie pour atteindre l'état de transition.

Une enzyme est une protéine qui a dans la cellule une fonction de catalyseur. Un catalyseur est une substance qui modifie la vitesse d'une réaction chimique mais qui se retrouve inchangée à la fin de la réaction. En termes plus techniques, un catalyseur est une substance qui abaisse l'énergie d'activation d'une réaction chimique.

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

Introduction aux enzymes: L'Enzymologie est l'étude des enzymes. Toutes les enzymes sont des protéines. Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs des réactions biochimiques

Introduction aux enzymes: In vivo, presque toutes les réactions sont catalysées par des enzymes: Tout les organismes possèdent beaucoup d'enzymes (plus de 3000) dans une seule cellule. Les protéines enzymatiques sont synthétisées par des êtres vivants. Cette synthèse est déterminée génétiquement: sa conservation dans le génome est favorisée par le besoin qu'éprouve cet être vivant de faire cette réaction

Introduction aux enzymes: Comme tout les composés catalytiques, les enzymes ne changent pas la position de l'équilibre. Elles sont extrêmement efficaces,  la vitesse de la réaction d'un facteur de 109 (1 seconde avec E = 31 ans sans E) à 1020 sans modifier le résultat. Elles sont extrêmement spécifiques vis-à-vis leurs substrats. Chaque réaction chimiques est associée à une enzyme qui la catalyse. A la fin de la réaction la structure de l'enzyme se retrouve inchangée.

Le cycle catalytique des enzymes: Le substrat se lie à l'enzyme par des liaisons de faible énergie, et forme le complexe Enzyme-Substrat (ES). A la fin de la réaction le produit quitte le site actif et l'enzyme retourne à son état initiale. La conversion du substrat se fait rapidement; un enzyme peut catalyser 1000 réactions par seconde. Ce sont les enzymes qui sont responsables de la plupart des réactions endergoniques et exergoniques de la cellules. Sans les enzymes la cellule cesserait de fonctionner puisque son métabolisme dépend du travail que font les enzymes.

Le cycle catalytique des enzymes:

Spécificité du substrat: Les forces non covalentes qui permettent aux substrats de se lier aux enzymes: forces de van der Waals interactions électrostatiques liaisons hydrogènes interactions hydrophobes Le site de liaison d'un substrat: poche ou crevasse à la surface de l'enzyme dont la forme est complémentaire à celle du substrat (complémentarité géométrique). Les résidus d'a. a. qui constituent le site de liaison sont disposés afin d'interagir spécifiquement avec le substrat pour l'attirer (complémentarités électronique).

Stéréospécificité: Les enzymes, en raison de leur chiralité inhérente forment des sites actifs asymétriques car les protéines ne sont formées que de L-aminoacides. Par exemple, la trypsine hydrolyse facilement les polypeptides formés de L-aminoacides, mais elle est sans action sur les polypeptides formés de D-aminoacides. Presque toutes les enzymes ont une stéréospécificité absolue dans les réactions qu'ils catalysent. Un substrat qui n'a pas la chiralité correcte ne pourra pas se fixer à un site de liaison enzymatique pour pratiquement la même raison que la main droite ne peut se glisser correctement dans un gant gauche.

Stéréospécificité: Cependant, pour certains enzymes la spécificité géométrique est beaucoup moins contraignante que la stéréospécificité. Après tout, des mains gauches de taille et de forme différentes rentreront plus ou moins bien dans un gant gauche. Quelques enzymes ne sont même pas très spécifiques au type de réaction qu'ils catalysent: Ainsi, la chymotrypsine, qui catalyse l'hydrolyse de liaison peptidique, catalyse aussi l'hydrolyse de liaison ester:

Cofacteurs : Les cofacteurs sont indispensables à l'activité catalytique. peuvent être des ions (Zn2+) ou des molécules organiques appelées coenzymes telles que le NAD+. D'autres cofacteurs, appelés groupements prosthétiques, sont associés en permanence à la partie protéique de l'enzyme, souvent par liaisons covalentes. Ex.: le groupe prosthétique du cytochrome C: le noyau hème.

Cofacteurs: Au cours de la réaction à laquelle ils participent, les cofacteurs sont modifiés chimiquement. Par conséquent, afin que le cycle catalytique soit assuré, le cofacteur doit revenir à son état initial. Pour les cofacteurs qui peuvent se dissocier de l'apoenzyme, le NAD+ par exemple, la réaction de régénération peut être catalysée par une autre enzyme. Le complexe enzyme-cofacteur catalytiquement actif est appelé un holoenzyme. La partie protéique de l'holoenzyme, enzymatiquement inactive, est l'apoenzyme:

Cofacteurs: ions ou molécules organiques (coenzymes) Apoenzyme Coenzyme Holoenzyme

Cofacteurs: Les vitamines du régime alimentaire qui sont des précurseurs de cofacteurs, sont toutes des vitamines hydrosolubles

Termes communs utilisés en enzymologie Certains enzymes sont synthétisés dans une forme inactive (proenzyme ou zymogène). Afin de les rendre active, une petite partie de leur chaîne polypeptidique est coupée. Ex.: trypsine  trypsinogène (un zymogène). Lorsqu'un fragment contenant 6 a. a. est enlevé du bout N-terminal, la molécule de trypsinogène devient active (trypsine).

Importance de la synthèse des enzymes sous forme inactive La trypsine est une protéase. Elle représente un important catalyseur de la digestion des protéines de l'alimentation. Cependant, il faut que la trypsine ne catalyse pas les protéines du soi. La trypsine est donc synthétisée sous forme inactive afin de prévenir une autodigestion des organes du corps humain. Elle est transformée en sa forme active seulement lorsqu'elle se retrouve dans le système digestif.

INTERACTION ENZYME SUBSTRAT Sites de fixation Site catalytique Enzyme Substrat

Réaction enzyme substrat

ETAPES DE LA REACTION

Types d’enzymes Enzymes Michaeliens présente un seul site actif Les enzymes allostériques sont des protéines oligomériques avec plus d'un site actif.

Régulation de l'activité enzymatique: Réalisée de deux manières: Contrôle de la disponibilité en enzyme: La quantité d'un enzyme donné dans une cellule dépend à la fois de la vitesse de sa synthèse et de celle de sa dégradation. Contrôle de l'activité enzymatique: L'activité catalytique d'une enzyme peut être régulée directement par des modifications conformationnelles ou structurales.

Régulation de l'activité enzymatique: Contrôle de l'activité enzymatique: La vitesse d'une réaction enzymatique est directement proportionnelle à la [ES] qui, à son tour, dépend de la [S] et de l'affinité de liaison du S à l'E. S + E ES E + P L'affinité de liaison du S à l'E peut être modulée par la liaison de petites molécules effectrices, modifiant ainsi l'activité catalytique de l'enzyme.

INHIBITION ENZYMATIQUE Site actif Un substrat peut normalement se lier au site actif de l’enzyme Un inhibiteur compétitif imite le substrat et entre en compétition avec lui pour s’introduire dans le site actif. Inhibiteur compétitif Un inhibiteur non compétitif se lie à l’enzyme et altère la conformation de l’enzyme de sorte que le site actif ne peut plus s’associer au substrat. Inhibiteur non compétitif

LES ENZYMES ALLOSTÉRIQUES Un activateur allostérique stabilise la forme active Un inhibiteur allostérique stabilise la forme inactive

X A B C D E LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES E1 E2 E3 E4 Voie métabolique X E1 E2 E3 E4 La molécule E est un inhibiteur allostérique de l’enzyme E1

A B C D E LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES GO E1 E2 E3 E4 Voie métabolique GO E1 E2 E3 E4 La molécule A est un activateur allostérique de l’enzyme E1

Régulation de l'activité enzymatique: Le contrôle allostérique est défini comme étant la fixation d'une molécule (substrat, produit ou effecteur) à une sous-unité de l'enzyme, plus précisément au niveau d'un site allostérique autre que le site catalytique, ce qui entraîne une modification de la conformation et par la suite de l'activité de l'enzyme. Exemple de contrôle allostérique: l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E. coli.

Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E. coli: Variation de la vitesse de la réaction catalysée par l'ATCase en fonction de la concentration en aspartate en l'absence d'effecteurs allostériques, en présence de Cytidine triphosphate (CTP) (inhibition), et en présence d'ATP (activation).

Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E. coli: Le CTP, un des produits de la voie de biosynthèse des nucléotides pyrimidiques, est un précurseur des acides nucléiques. Suite à une biosynthèse rapide d'acide nucléique, le pool de CTP intracellulaire , ce qui provoque la dissociation de cet effecteur de l'ATCase en raison de la loi d'action de masse, ce qui enlève l'inhibition de l'enzyme, et  la vitesse de synthèse du CTP. Levée d’inhibition

Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E. coli: Inversement, si la vitesse de synthèse du CTP dépasse sa vitesse d'utilisation, l'excès de CTP qui en résulte inhibe l'ATCase qui, à son tour, réduit la vitesse de synthèse du CTP. Ceci est un exemple de rétroinhibition, un moyen efficace de régulation métabolique dans lequel la [produit] d'une voie de biosynthèse contrôle l'activité d'un des premiers enzymes de cette voie.

Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E Contrôle allostérique de l'aspartate transcarbamylase (ATCase) d'E. coli: Les changements allostériques modifient les sites de liaison des substrats de l'ATCase. L'ATCase d'E. coli est polymérique de MM = 300kDa Les sous-unités régulatrices diminuent l'activité des sous-unités catalytiques de l'enzyme intacte, par interactions allostériques. Comme le prévoit la théorie allostérique: L'ATP activateur se lie préférentiellement à la forme active de l'ATCase (forme R ou de haute affinité pour le substrat), Le CTP inhibiteur se lie préférentiellement à la forme inactive de l'enzyme (forme T ou de faible affinité pour le substrat). La liaison du substrat à l'une des sous-unités catalytiques augmente par conséquent l'affinité de liaison du substrat des autres sous-unités catalytiques, liaison coopérative (+)

Classification des enzymes: Les noms donnés aux enzymes sont généralement dérivés de la réaction qu'ils catalysent et/ou des composés ou types de composés impliqués dans la réaction. Par exemple, le lactate déshydrogénase est une enzyme qui catalyse l'enlèvement d'un hydrogène du lactate. La phosphatase acide contribue au clivage des liaisons phosphodiesters en conditions acides. 6 groupes principaux selon le type de réaction qu'elles catalysent:

Classification des enzymes: 1.Oxydoréductases: catalysent des réactions d'oxydation ou de réduction. 2.Transferases: catalysent le transfert d'un groupe d'atomes, comme CH3, CH3OH, ou NH2, d'une molécule à une autre. 3.Hydrolases: catalysent des réactions d'hydrolyse. 4.Lyases: catalysent l'addition d'un groupement à une liaison double ou la perte d'un groupement pour créer une liaison double. 5.Isomérases: catalysent des réactions d'isomérisation 6.Ligases ou Synthétases: catalysent l'assemblage de deux molécules (formation de liaison couplée à l'hydrolyse de l'ATP).

Classification des enzymes: En plus de leur noms communs, les enzymes possèdent également un nombre de classification. Ex.: l’anhydrase carbonique  EC.4.2.1.1 EC signifie "Enzyme Commission". La nomenclature des réactions enzymatiques est exprimée par un ensemble de quatre nombres séparés par des points. Le premier de ces nombres désigne le type de la réaction catalysée, parmi les six grandes classes de réactions enzymatiques. Le deuxième et le troisième expriment la nature des corps chimiques sur lesquels cette réaction se produit. Le quatrième nombre est un numéro d'ordre.

Classification des enzymes: Exemple l'anhydrase carbonique 1 4 2 Le nombre de classification de l'anhydrase carbonique est E.C.4.2.1.1, 4: signifie qu'elle agit sur une réaction d'addition au niveau d'une liaison double (premier nombre 4: Lyases), 2: que la réaction crée une liaison entre des atomes de carbone et d'oxygène (deuxième nombre 2), 1: que le corps ajouté est une molécule d'eau (troisième nombre 1) 1: qu'elle est la première de cette espèce (quatrième nombre 1). Une réaction réversible est classée sous un seul numéro quel que soit son sens.