cours : les enzymes, des protéines actives dans le ...svtoiselet.free.fr/tmp/upload/09cours.pdf ·...
TRANSCRIPT
Page 1
Problèmes :
Quelles sont les propriétés des enzymes qui expliquent leur omniprésence
dans les réactions chimiques des organismes vivants ?
Comment l’activité des enzymes contribue-t-elle à la réalisation du
phénotype ?
1 – Comparaison d’une catalyse chimique et d’une catalyse biologique
2 – Les propriétés des enzymes
Problème : Sachant qu’un catalyseur chimique agit à des températures et des
doses élevées, comment expliquer que les enzymes soient aussi efficaces, à des
températures et des doses aussi faibles ? Comment expliquer la spécificité de
substrat et de réaction d’une enzyme ?
1 – La vitesse d’une réaction enzymatique
2 – L’action et la vitesse enzymatique dépendent de la formation d’un complexe
enzyme-substrat
Problème : Sachant que l’action d’une enzyme nécessite la formation du
complexe enzyme-substrat, comment expliquer qu’une enzyme puisse fixer de
façon aussi précise et spécifique un substrat ?
1 – Enzyme et site actif
2 – L’influence des facteurs du milieu sur l’activité enzymatique
3 – Activité enzymatique et phénotype
Conclusion
Cours : Les enzymes, des protéines actives dans le fonctionnement
cellulaire
A – Les propriétés des enzymes : Des biocatalyseurs
B – Les enzymes des biocatalyseurs puissants et rapides
C – Spécificité d’action d’une enzyme et conformation dans l’espace
Page 2
Les protéines sont les molécules responsables des phénotypes moléculaires. Elles
sont l’expression du programme génétique.
Parmi la grande diversité des protéines d’un organisme, les enzymes sont des
protéines qui jouent des rôles importants dans le fonctionnement cellulaire et donc
au niveau du phénotype cellulaire.
Le fonctionnement des organismes met en jeu des réactions chimiques très
nombreuses et très variées qui ont lieu dans des conditions limitées de température,
de temps, de PH, c’est à dire dans des conditions de vie cellulaire.
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques ou biocatalyseurs qui réalisent
toutes les réactions chimiques nécessaires à la vie cellulaire. Elles participent
activement au phénotype cellulaire.
Problèmes :
Quelles sont les propriétés des enzymes qui expliquent leur omniprésence
dans les réactions chimiques des organismes vivants ?
Comment l’activité des enzymes contribue-t-elle à la réalisation du
phénotype ?
A – Les propriétés des enzymes : Des biocatalyseurs
1 – Comparaison d’une catalyse chimique et d’une catalyse biologique
Une catalyse correspond à l’accélération d’une réaction chimique par la présence
d’une substance, le catalyseur, qui reste inchangé à la fin de la réaction.
Le TP n°3 nous a permis de tester l’efficacité de 2 catalyseurs biologiques
(biocatalyseurs) qui sont des enzymes (protéines) :
Le filtrat de blé germé contient des enzymes qui rendent possible l’hydrolyse
de l’amidon en dextrines puis en glucose à 37 °C et en 15 à 20 minutes. (le tube
n°1 témoin prouve que cette réaction est impossible voir très lente en absence
d’enzymes). L’enzyme présente dans le filtrat est appelée une hydrolase et
elle agit sur l’amidon que l’on nomme substrat de l’enzyme.
Le filtrat de pomme de terre contient des enzymes qui rendent possible la
synthèse de l’amidon à partir de sucres simples, le glucose à 37 °C en 8
Cours : Les enzymes, des protéines actives dans le fonctionnement
cellulaire
Page 3
minutes. L’enzyme présente dans le filtrat est une synthétase et elle agit sur
le glucose que l’on nomme le substrat de l’enzyme.
Les enzymes sont des molécules clés du fonctionnement cellulaire elles assurent
les réactions chimiques de dégradation (catabolisme) comme les réactions de
synthèse (anabolisme) nécessaires à la vie d’une cellule.
L’hydrolyse de l’amidon est possible en utilisant un catalyseur chimique comme l’acide
chlorhydrique.
Cette hydrolyse est très différente, de l’hydrolyse enzymatique :
L’hydrolyse est – rapide
L’hydrolyse demande une concentration élevée d’HCL
L’hydrolyse se réalise à une température extrême de 100 °C, un PH très acide
(2), conditions incompatibles avec la vie cellulaire.
Conclusion : Les enzymes sont des biocatalyseurs qui rendent possible des
réactions chimiques qui seraient en leur absence impossibles. Les enzymes
agissent à faible concentration dans des conditions de pH, de températures
compatibles avec la vie cellulaire.
Remarque : Les enzymes sont des protéines, conséquence toutes les réactions
chimiques de la cellule dépendent directement de l’équipement génétique de la
cellule.
2 – Les propriétés des enzymes
L’activité des enzymes est sensible aux variations de température, une
augmentation de la température fait perdre sa fonction à l’enzyme.
La vitesse d’action des enzymes est fonction de la concentration
enzymatique. Plus la concentration en enzymes est importante et plus la
vitesse de la réaction semble élevée.
Page 4
2 autres propriétés sont à retenir :
Une enzyme à une spécificité de substrat. Elle agit et transforme un seul
type de substrat. Exemple, l’enzyme des grains de blé est spécifique de
l’amidon, on la nomme aussi cette enzyme une amylase. L’enzyme de la pomme
de terre est spécifique du glucose 1P, on parle de glucose 1 phosphatase.
Une enzyme à une spécificité d’action. Elle catalyse un seul type de réaction.
Exemple, l’enzyme du blé ne fait que l’hydrolyse de l’amidon, on parle
d’hydrolase. L’enzyme de la pomme de terre ne fait que la synthèse de
l’amidon, on parle de synthétase.
Problème : Sachant qu’un catalyseur chimique agit à des températures et des
doses élevées, comment expliquer que les enzymes soient aussi efficaces, à des
températures et des doses aussi faibles ? Comment expliquer la spécificité de
substrat et de réaction d’une enzyme ?
Page 5
B – Les enzymes des biocatalyseurs puissants et rapides
1 – La vitesse d’une réaction enzymatique
La réaction enzymatique est une dégradation de l’eau oxygénée H2O2, le substrat en O2
et H2O les produits grâce à une catalase; l’enzyme.
Page 6
Le logiciel nous permet de suivre en direct grâce à une sonde la quantité de produit (O2)
formé par unité de temps. La concentration en enzyme est constante.
On obtient donc pour chaque concentration de substrat une courbe P = f(t)
Pour une concentration en substrat faible on observe une augmentation de produit
formé en µmol/l faible qui traduit une activité de l’enzyme qui dégrade H2O2 et libère
de l’O2.
Pour une concentration supérieure en substrat (0.05v), on observe une augmentation
de la concentration en produit pour une durée d’action de l’enzyme identique de 3
minutes. Cette augmentation de la concentration de produit formé pour une durée fixe
traduit une vitesse d’action de l’enzyme qui augmente.
Page 7
V = Quantité de produit / unité de temps
Il y a donc bien une relation entre la concentration de substrat et la vitesse
d’action de l’enzyme. Le logiciel calcule pour chaque courbe la vitesse initiale de la
réaction.
Page 8
La vitesse initiale (Vi) calculée représente la vitesse d ‘action de l’enzyme la plus
importante lors des premières secondes lorsque les conditions initiales (concentration du
substrat) sont peu modifiées. La Vi peut être estimée par la pente de la courbe au début
de l’expérience.
Chaque courbe P = f(t) nous donne une valeur de Vi. On peut donc tracer la
courbe Vi = f ( [S] )
C’est à dire une courbe qui traduit la vitesse de la réaction enzymatique en
fonction de la concentration en substrat du milieu.
La vitesse initiale de la réaction augmente fortement au départ et plus faiblement
ensuite avec l’augmentation de la concentration en substrat. La Vi atteint un palier ou
Vi = V max. La V max est indépendante de la concentration en substrat.
La V max semble traduire le fait que toutes les enzymes soient saturées, occupées.
Comment expliquer ce phénomène de saturation des enzymes ?
Page 9
Le graphique Vi = f( [S] ) avec le plateau de saturation ne peut s’expliquer
que si on admet une association entre le substrat et l’enzyme, la formation
d’un complexe enzyme substrat.
La formation de ce complexe demande un certain délai qui limite la vitesse
d’action. Voir doc. 12 p.33 du livre.
La formation de ce complexe enzyme substrat est certainement à l’origine de
l’efficacité des biocatalyseurs et explique aussi la spécificité de substrat et
d’action des enzymes.
Page 10
2 – L’action et la vitesse enzymatique dépendent de la formation d’un complexe enzyme-
substrat
L’action d’une enzyme est liée à sa capacité à se lier au substrat pour former un couple
enzyme substrat
[ES] temporaire suivant l’équation :
E + S ----- [ES] -- P + E (de nouveau disponible)
E = Enzyme
S = Substrat
[ES] = Complexe enzyme substrat transitoire
P = Produits de la réaction
Ce mode d’action de l’enzyme permet d’expliquer la courbe Vi = f[S]. Deux parties
différentes :
Partie croissante de la courbe : [S] faible, il y a peu de complexe [ES] et
il reste des molécules d’enzymes libres. En augmentant la concentration du
substrat, on augmente la probabilité de rencontre avec l’enzyme et la
formation des complexes, la vitesse augmente.
Le plateau, vitesse maximale de la réaction : Toutes les molécules
d’enzymes sont impliquées dans la formation d’un complexe à un moment
donné, il y une saturation des enzymes. L’augmentation de la
concentration de substrat ne peut faire augmenter la vitesse de la
réaction, on parle d’une vitesse maximale de l’enzyme.
Page 11
Conclusion : La réalisation d’une catalyse enzymatique passe par la formation
transitoire d’un complexe enzyme substrat. La phase de mise en place du
complexe à une durée qui limite la vitesse d’action d’une enzyme, ce temps
correspond à l’association et à la dissociation du complexe.
Remarque : Pour faire augmenter la vitesse de réaction enzymatique, il faut
augmenter la concentration en enzyme.
Toutes les propriétés des enzymes, biocatalyseurs s’expliquent par ce mode
d’action de l’enzyme. La formation du complexe permet à l’enzyme d’avoir le
substrat sous la main, ce qui rend possible des réactions impossibles dans la
nature sans enzymes.
La formation de ce complexe explique :
L’efficacité des enzymes a faible concentration
L’efficacité des enzymes à faible température
La spécificité de substrat et la spécificité d’action.
Problème : Sachant que l’action d’une enzyme nécessite la formation du
complexe enzyme-substrat, comment expliquer qu’une enzyme puisse fixer de
façon aussi précise et spécifique un substrat ?
C – Spécificité d’action d’une enzyme et conformation dans l’espace.
1 – Enzyme et site actif (voir schéma)
L’enzyme est une protéine, qui présente une structure tertiaire. On observe
toujours une zone en forme de sillon, que l’on nomme le site actif. Ce site
correspond à une région limitée de l’enzyme où s’associe le substrat. Le site
actif de l’enzyme à 2 fonctions :
Fixer le substrat spécifique de l’enzyme
Rendre possible la réaction chimique qui transforme le substrat en produits.
La formation du complexe [ES] au niveau du site actif repose sur une
complémentarité de forme et une affinité chimique. Le site actif comprend
Page 12
quelques acides aminés particuliers capables d’interagir avec le substrat en
créant des liaisons transitoires. On distingue :
Les acides aminés de reconnaissance qui vont en créant des liaisons faibles
avec le substrat permettre une stabilité transitoire du complexe.
Les acides aminés catalytiques qui vont assurés par des liaisons avec le
substrat la réaction chimique de catalyse
Remarque : les acides aminés de reconnaissance et catalytiques sont des acides
aminés non contigus dans la structure primaire de la protéine.
2 – L’influence des facteurs du milieu sur l’activité enzymatique
Parmi les facteurs de l’environnement on retiendra l’action de la température du
PH et des inhibiteurs sur l’activité enzymatique :
L’influence de la température :
Si la température baisse fortement, cela ralentit l’agitation moléculaire et la
probabilité de rencontre entre l’enzyme et son substrat. La vitesse enzymatique
diminue. A très faible température les enzymes sont immobiles.
A température ambiante (37°C), l’agitation moléculaire est plus importante, ce
qui favorise la formation des complexes, la vitesse enzymatique augmente.
10 000 molécules de substrat sont transformées par molécule d’enzyme et par
seconde.
Si la température augmente (>50°C) cela provoque un changement irréversible
de la structure tertiaire de la protéine, enzyme. Il y a une rupture des liaisons
non peptidiques. Le site actif est modifié et l’enzyme dénaturée devient
incapable de fixer son substrat. La vitesse enzymatique est nulle.
Influence du PH :
Le PH a une influence sur la structure tertiaire de l’enzyme en modifiant les
charges positives et négatives des acides aminés. La structure tertiaire change
et l’activité enzymatique est modifiée.
Les inhibiteurs ; il s’agit de molécules capables de se fixer au site actif de
l’enzyme par complémentarité spatiale sans provoquer de réaction. Un
inhibiteur est un antagoniste qui bloque le site actif et rend non
fonctionnelle l’enzyme. Exemple : Médicaments contre le diabète
Page 14
ENZYME
SUBSTRA
T
Liaisons faibles
Liaisons faibles
Polypeptide constituant
l’enzyme
Pont disulfure entre
acides aminés soufrés
non contigus
Acides aminés de
reconnaissances, fixent
le substrat au niveau
du site actif
Acides aminés de
reconnaissances, fixent
le substrat au niveau
du site actif
Acides aminés
catalytiques,
réagissent avec le
substrat pour le
transformer en
produits au niveau
du site actif
Acides aminés ne
faisant pas partie du
site actif
Liaison
faible
Le complexe enzyme substrat
Page 15
3 – Activité enzymatique et phénotype
Dans chaque cellule il y a environ 4000 enzymes différentes qui réalisent les
réactions du métabolisme cellulaire. Ces réactions conduisent à la mise en place
du phénotype cellulaire.
Les enzymes sont des protéines déterminées par l’équipement alléliques de la
cellule. Toute modification du génotype peut modifier l’activité enzymatique
d’une cellule, donc le phénotype cellulaire et macroscopique.
Les facteurs de l’environnement comme la température, le PH, les inhibiteurs
modifient aussi l’activité enzymatique et donc le phénotype cellulaire.
Conclusion ; Les enzymes sont le reflet de l’équipement alléliques d’une cellule.
Elles participent au phénotype moléculaire et contribuent à la mise en place du
phénotype cellulaire et macroscopique.
Page 16
Enzymes, génotype, phénotype et environnement
Catabolisme
Anabolisme
Métabolisme
Enzyme 2 Enzyme 1
Enzyme3
Chaine d’acides
aminés 3
Chaine d’acides
aminés 2
Chaine d’acides
aminés 1
Gène 1 Gène 2 et gène 3
Génotype
Effets des facteurs de
l’environnement (T°, PH)
Enzyme modifiée non
fonctionnelle
Cytoplasme
Enzymes
1.2.3 =
[moléculaire]
[Cellulaire]
Cellule
Noyau