Mme Mehadji-Chaibeddra Cherifa La catalyse enzymatique Plan réussite L1 CHIMIE GROUPE 3 SOUCE Aline 2008/2009

Plan Introduction I) Les enzymes : acteurs de la catalyse enzymatique 1) Nomenclature des enzymes a) Classification b) Nomenclature c) Efficacité d’une enzyme et conditions 2) Structure d’une enzyme a) Structure primaire b) Structure secondaire c) Structure tertiaire d) Structure quartenaire 3) Site actif a) Définition b) Mode d’action II) La catalyse enzymatique 1) Généralités a) Définition d’un catalyseur b) Loi cinétique enzymatique 2) Spécificité de la catalyse enzymatique a) Spécificité d’une réaction b) Spécificité d’un substrat c) Réversibilité et irréversibilité III) Exemples a) Exemple 1 : L’anhydrase carbonique b) Exemple 2 : La ribonucléase c) Exemple 3 : L’amylase Conclusion Bibliographie Glossaire

INTRODUCTION Qu’est qu’une catalyse? Il s’agit de la modification de la vitesse d’une réaction chimique par une substance rajoutée, appelée catalyseur, que l’on retrouve inaltérée en fin de réaction et qui ne modifie pas l’équilibre thermodynamique de cette dernière . Il existe différents types de catalyses : La catalyse homogène La catalyse hétérogène La catalyse enzymatique C’est cette dernière que nous allons étudier et développer durant cet exposé.

I) Les enzymes: acteurs de la catalyse enzymatique 1) Nomenclature des enzymes a) Classification : 1. OXYDO-RÉDUCTASES : catalysent les réactions d’oxydo-réduction. 2. TRANSFÉRASES : transfèrent un groupement fonctionnel (par exemple un groupe méthyle ou phosphate). 3. HYDROLASES : catalysent l'hydrolyse de diverses liaisons. 4. LYASES : brisent diverses liaisons par d'autres procédés que l'hydrolyse et l'oxydation. 5. ISOMÉRASES : catalysent les réactions d'isomérisation dans une simple molécule. 6. LIGASES : joignent deux molécules par des liaisons covalentes. Pour plus de détails : http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ http://www.webbioch.net/modules/mydownloads/cache/files/enzymo-clas.pdf

b) Nomenclature : La nomenclature EC (EC est le sigle de Enzyme Commission numbers, la Commission des enzymes) est une classification numérique des enzymes, basée sur la réaction chimique qu'elles catalysent. Chaque code d'enzyme quatre nombres séparés par des points. consiste en les lettres majuscules « EC » suivies de quatre chiffres. Ces nombres représentent chacun une étape dans la précision de la classification de l'enzyme. Il s’écrit de la forme : E.C. X.X.X.X. - Le premier X correspond à la classe de l’enzyme. - Le deuxième X permet un classement supplémentaire en fonction de la nature du groupe du donneur d'électrons sur lequel l'enzyme agit . - Le troisième X permet un classement supplémentaire en fonction de la nature du groupe accepteur d'électrons sur lequel l'enzyme agit . - Le quatrième X permet un classement supplémentaire en fonction du substrat sur lequel l'enzyme agit .

c) Efficacité d’une enzyme et conditions : - Température : L’enzyme est capable de catalyser à une température égale à celle des organismes vivants (37°C/38°C). A température plus élevée, l’enzyme sera dénaturée, ce qui entraine la modification du site actif. Donc la réaction ne peut pas avoir lieu. A faible température (en-dessous de 5°C), l’enzyme est inactivée car l'agitation moléculaire provoquée par la chaleur est limitée : les molécules de substrat et les enzymes se rencontrent difficilement. - pH : L’enzyme n’est pas très sensible au pH. L’enzyme est fonctionnelle à pH neutre, acide et basique. Toutefois, un pH trop élevé (entre 13 et 14) entraine la dénaturation de l’enzyme.

2) Structure d’une enzyme a) Structure primaire : Elle représente la séquence des acides aminés.

Feuillet β Hélice α b) Structure secondaire : Les structures secondaires sont les motifs que forment les acides aminés. On reconnaît principalement les structures en hélice α et en feuillet β. Feuillet β Hélice α

Hélice α Feuillet β Coude c) Structure tertiaire : La structure tertiaire se rapporte aux relations dans l'espace des différentes structures secondaires, hélices et feuillets.  Hélice α Feuillet β Coude

Deux chaînes α : a1 et a2 Deux chaînes β : b1 et b2 d) 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

3) Le site actif a) Définition : La fonction des enzymes est liée à la présence dans leur structure (secondaire et tertiaire) d'un site particulier appelé le site actif. Schématiquement, il a la forme d'une cavité ou d'un sillon dans lequel vont se fixer les substrats grâce à plusieurs liaisons chimiques. Une fois fixes, les substrats vont réagir et se transformer en produit. SUBSTRAT Site actif

SITE ACTIF b) Mode d’action Le site actif est subdivisé en deux parties : le site de liaison (qui reconnaît la complémentarité de forme avec un substrat spécifique à l'enzyme) et le site catalytique (qui est responsable de la fixation de l'enzyme sur le substrat). Site de liaison SITE ACTIF Site catalytique

II) La catalyse enzymatique 1) Généralités a) Définition : La catalyse enzymatique est un processus catalytique propre aux êtres vivants dans lequel les enzymes, molécules protéiques complexes à masse moléculaire élevée, jouent le rôle de catalyseurs. Il existe six catégories de mécanismes catalytique utilisés par les enzymes : - Catalyse acido-basique - Catalyse covalentes - Catalyse par ion métallique - Catalyse électrostatique - Catalyse par effet de proximation et d’orientation - Catalyse par liaison préférentielle au complexe de l’état de transition

b) Loi cinétique enzymatique : Soit la réaction enzymatique: k1 k2 E + S ES E + P k-1 k-2 E : Enzyme S : Substrat ES : Complexe enzyme-substrat P : Produit La réaction enzymatique obéit à la loi de Michaelis-Menten : Vi = (Vmax*[S]) / (Km + [S]) Vi : Vitesse initiale (c’est-à-dire en absence de produit) de la réaction enzymatique pour une concentration de substrat [S]. Vmax : Vitesse initiale maximale mesurée pour une concentration saturante de substrat [S]. [S] : Concentration en substrat. Km : Constante de Michaelis spécifique de l'enzyme. C'est la concentration en substrat pour laquelle la vitesse initiale de la réaction est égale à Vmax/2.

2) Spécificité de la catalyse enzymatique a)Spécificité d’une réaction : Les enzymes n'exercent leur action catalytique que sur certaines réactions bien précises ; leur spécificité peut-être absolue ou s'étendre à plusieurs substrats appartenant à une même classe de composés. Il existe 2 grandes familles d’enzymes : Hydrolases : catalysent l’hydrolyse (Amylase, maltase, saccharase) Synthétases/Polymérases : Réaction de synthèse, de polymérisation.

SITE ACTIF SUBSTRAT ENZYME b) Spécificité d’un substrat : Le site de liaison d’un substrat correspond à une poche ou à une crevasse à la surface de la molécule d’enzyme dont la forme est complémentaire à celle du substrat (complémentarité géométrique). De plus, les résidus d’acide aminé qui constituent le site de liaison sont disposés afin d’interagir spécifiquement avec le substrat pour l’attirer (complémentarité électronique). SITE ACTIF SUBSTRAT ENZYME

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.

III) Exemple de catalyse 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

Mécanisme de la réaction de RNase T1 b) Exemple 2 : La ribonucléase Les ribonucléases (ou RNases) sont une classe de nucléases qui catalysent l'hydrolyse des liaisons phosphodiester de l'ARN. Elles appartiennent toutes à la classe EC 3.1. On distingue les exoribonucléases et les endoribonucléases. Les ribozymes sont des enzymes non protéiques. Mécanisme de la réaction de RNase T1

Amylopectine et amylose = constituants de l’amidon c) Exemple 3 : L’amylase L’amylase est une enzyme salivaire ou pancréatique de la famille des hydrolases, catalysant principalement l’hydrolyse de l’amidon en glucose. Amylopectine et amylose = constituants de l’amidon

CONCLUSION En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il est régénéré à la fin de la réaction. Il ne fait donc, ni parti des réactifs ni des produits dans l'équation. Lorsqu’un catalyseur est utilisé pour accélérer une transformation, on dit que celle-ci est catalysée. Dans une catalyse enzymatique, c’est donc l’enzyme qui joue le rôle de catalyseur. Certaines réactions, au contraire peuvent être ralenties voir arrêtées grâce la présence d’une substance appelée inhibiteur.

GLOSSAIRE - Apoenzyme : c’est une enzyme sans son cofacteur, c'est-à-dire la protéine à laquelle la coenzyme se liera pour produire une hétéroenzyme. L'apoenzyme est la partie activante, responsable de la spécificité envers le substrat. Schématiquement : coenzyme + apoenzyme = hétéroenzyme. - Catalyse : modification de la vitesse d’une réaction chimique par une substance rajoutée, appelée catalyseur, que l’on retrouve inaltérée en fin de réaction et qui ne modifie pas l’équilibre thermodynamique de cette dernière. - Catalyseur : Un catalyseur est une substance étrangère à la réaction, qui n'est pas consommée par la réaction et qui modifie l'évolution d'une réaction chimique, thermodynamiquement possible. Ces modifications se traduisent par une augmentation de la vitesse et parfois par une orientation de la sélectivité de la réaction. La réaction catalytique peut être effectuée soit en phase homogène, soit en phase hétérogène. Il n'existe pas de catalyseur universel et toutes les réactions ne peuvent pas être accélérées par un catalyseur. Le choix du catalyseur dépendra donc de la réaction considérée. - Cinétique chimique : C’est l'étude de la vitesse des réactions chimiques. Certaines réactions sont totales et très rapides voire violentes, comme les explosions. D'autres sont tellement lentes qu'elles durent plusieurs années (comme la formation de la rouille), voire plusieurs siècles (comme la formation du charbon ou du pétrole). Certaines sont même tellement lentes que les réactifs de départ sont considérés comme stables, par exemple l'oxydation de l'aluminium ou encore la transformation du diamant en carbone graphite. On parle alors d'états « métastables ». - Coenzyme : partie non protéique de certaines enzymes, indispensables à leur fonctionnement. Certaines enzymes utilisent des coenzymes spécifiques qui peuvent modifier leur structure ou prendre part à la réaction concernée. Certaines coenzymes sont dérivées de vitamines (vitamine B en particulier), d'autres sont des phosphoribonucléotides, d'autres enfin sont des métaux (zinc, cuivre, magnésium). La plus connue est la coenzyme A, coenzyme des transacétylases, qui se combine à différents métabolites par une liaison riche en énergie. Une autre coenzyme, le nicotinamide-adénine-dinucléotide-phosphate (NADP), est indispensable au processus de photosynthèse. Les coenzymes sont aussi appelées cofacteurs enzymatiques.

- Cofacteur : Corps chimique intervenant obligatoirement dans une réaction enzymatique : pour transporter ou compléter un substrat pour accepter un produit comme participant à la structure de l’enzyme. - Enzyme : Protéine catalysant une réaction biochimique. Il y a six classes d'enzymes : les oxydoréductases, les transférases, les hydrolases, les lyases, les isomérases et les ligases. Protéine volumineuse ; les enzymes ont pour mission d'accélérer (catalyser) les réactions chimiques dans les organismes vivants. Il existe un grand nombre d'enzymes spécifiques qui jouent un rôle important dans les processus physiologiques (digestion, conduction nerveuse, synthèse d'hormones, etc.) - Facteur cinétique : tout paramètre permettant d’influencer la vitesse d’une transformation chimique. La température, la concentration des réactifs, la présence de catalyseurs, la lumière ou encore l’emploi d’un solvant sont des exemples de facteurs cinétiques. - Inhibiteur : substance qui diminue la vitesse d'une réaction catalysée par une enzyme. En se liant sur une enzyme, un inhibiteur peut empêcher la fixation du substrat sur le site actif, ou provoquer une déformation de l'enzyme qui rend celle-ci inactive (inhibiteur allostérique). L'inhibition des enzymes joue un rôle important dans le contrôle des mécanismes biologiques, et notamment dans la régulation des voies métaboliques. En enzymologie, les inhibiteurs sont très utilisés pour déterminer le mécanisme d'action d'une enzyme. - Ligand : En biologie, molécule se fixant sur une protéine. Cette fixation déclenche en général un effet : modification d'une activité enzymatique dans le cas d'un ligand allostérique, réponse cellulaire dans le cas d'un récepteur membranaire, d'un récepteur cytoplasmique ou d'un récepteur nucléaire d'une cellule. - Produits : Molécules libérées par l'enzyme après réaction des substrats. - Réaction autocatalytique : C’est une réaction chimique dont le catalyseur figure parmi les produits de la réaction. On dit que cette transformation est "autocatalysée". De ce fait, l'évolution de la vitesse volumique de réaction au cours du temps est peu habituelle, particulièrement pour les transformations chimiques lentes ou très lentes. - Substrat : En biochimie, c’est une molécule utilisée comme produit de départ dans une réaction chimique catalysée par une enzyme (comme l'amidon pour l'amylase). Le ou les substrats se fixent dans le site actif de l'enzyme dans une géométrie qui favorise leur réaction, transformation ou dégradation.

Bibliographie Ouvrages : - Yon-Kahn, Jeannine, Hervé, Guy, Enzymologie moléculaire et cellulaire, Tome 1, 2005 - Bernhard, Sydney A., Structure et fonction des enzymes, Édition française dirigée par Labeyrie, Françoise,1969 - Branden, Carl, Tooze, John, Introduction à la structure des protéines, traduit de l'anglais par Lubochinsky Bernard,1996 - Voet, Donald, Voet, Judith G., Biochimie, traduction de la 3e édition américaine par Rousseau Guy et Domenjoud Lionel, 2005 Sites web : - Cours biochimie,terminale STL : http://www.webbioch.net/modules/mydownloads/cache/files/specificite.pdf - Académie de Nancy-Metz : http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/Physique/CHIM/Jumber/GLUCIDES/cadrglucides_fichiers /GLUCIDES.htm - http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ - http://fr.wikipedia.org/wiki/Catalyseur Pour les illustrations : - http://www.ac-orleans-tours.fr/svt/mol3d/3d/module3/html/3page.htm - http://membres.lycos.fr/carbonicanhydrase/ - http://www.kuhnle.co.uk/phd/pub/text/html/node17.htm - http://pedagogie.ac-montpellier.fr:8080/disciplines/scphysiques/academie/ABCDORGA/ Famille/Produit/LESUCRE.html - http://www.curie.u-psud.fr/U350/1999/french/Biochimie.html - http://svt.ac-creteil.fr/spip.php?article4012 - http://www.ekcsk12.org/faculty/jbuckley/regbio/practicemidterm5.htm