structure et propriétés des enzymes objectifs de la leçon 1- définir les termes enzymes,...
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Structure et propriétés des enzymesStructure et propriétés des enzymes
Objectifs de la leçon1- Définir les termes enzymes, substrat,
produits2- Établir l’équation de Michaélis- Menten3- Représenter graphiquement l’équation de
Michaélis- Menten4- Déterminer 3 méthodes de linéarisation de
l’équation de Michaélis- Menten
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I-GénéralitésI-Généralités
Définition des enzymes :- Composés protéiques- Biocatalyseurs spécifiques : modulateurs des
réactions chimiques - L’activité enzymatique est intimement liée à la
structure tridimensionnelle- Perte d’activité par dénaturation protéique
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I- GénéralitésI- Généralités
Propriétés générales des enzymes- Elles ne créent pas les réactions - Elles accélèrent la vitesse des réactions
chimiques- Elles abaissent l’énergie d’activation et
augmentent la concentration des substrats à l’état activé
- Elles ne se perdent pas dans la réaction- Elles n’interviennent pas dans l’équilibre des
réactions chimiques réversibles
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I- GénéralitésI- Généralités
Propriétés générales des enzymes (suite)
- Les enzymes agissent à de très faibles concentrations
Activité moléculaire spécifique (AMS) :
103<AMS<106
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I- GénéralitésI- Généralités
Propriétés générales des enzymes (suite)Les enzymes sont spécifiques :
Spécificité de fonction
Spécificité de substrat
Spécificité optique
Spécificité d’organe : exemple aminotransférases du foie et du
coeur
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II- Nomenclature des enzymesII- Nomenclature des enzymes
Conceptions anciennes- Rajout du suffixe " ase " au nom du substrat Exemple substrat= urée ; Uréase = enzyme transformant l’urée
en ammoniac + CO2
- Rajout du suffixe " ase " au type de réaction catalysée par l’enzyme
Exemple : urée + H2O ammoniac +CO2 (hydrolase)
- Noms communs consacrés par l’usage : Exemple : pepsine, trypsine, chymotrypsine
….etc.
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II- Nomenclature des enzymesII- Nomenclature des enzymes Conceptions actuellesNuméro d’ordre - Recommandation de l’union internationale de
Biochimie (UIB) : enzyme dénommée par 4 chiffres séparés par des points
Exemple : 1.1.1.1. = alcool déshydrogénaseNom systématiqueNom commun recommandé (appellation
consacrée par l’usage)
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II- Nomenclature des enzymesII- Nomenclature des enzymes Les 4 chiffres recommandés par l’UIB- Premier chiffre(le plus important) = classe
de l’enzyme- Deuxième chiffre = sous-classe de l’enzyme
(type de fonction du substrat participant à la réaction)
- Troisième chiffre = sous-sous-classe de l’enzyme (nature de l’accepteur)
- Quatrième chiffre = place de l’enzyme particulière à nommer dans la sous-sous-classe.
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II-1 Nomenclature des enzymes II-1 Nomenclature des enzymes selon le numéro d’ordre de l’UIBselon le numéro d’ordre de l’UIB
Les 6 classes principales d’enzymes (Premiers chiffres selon UIB):
- 1. Classe des oxydo-réductases- 2. Classe des transférases- 3. Classe des hydrolases (OTHLIL)- 4. Classe des lyases- 5. Classe des isomérases- 6. Classe des ligases
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II-2 Autre nomenclature des enzymesII-2 Autre nomenclature des enzymes ( noms systématique et ( noms systématique et recommandé)recommandé) Nom systématique : 3 éléments de référence du nom systématique :- Nature du donneur- Nature de l’accepteur- Type de réaction catalyséeNom recommandé :Appellation consacrée par l’usage, comme dans
le cas des conceptions anciennes
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II-3.Application de la nomenclature II-3.Application de la nomenclature des enzymesdes enzymes
Exemple : phosphorylation du glucoseα-D-glucose + ATP α-D-glucose-6-phosphate +
ADP- Numéro d’ordre = 2.7.1.1.- Nom systématique = ATP- α-D-glucose - 6-
phosphate transférase- Nom recommandé = Glucokinase
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III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-1. Les réactions d’oxydo-réduction- Transfert d’électrons avec ou non transfert de
protons- Support du transfert : corps donneur et corps
accepteur- Exemple : CH3-CH2OH + NAD CH3-CHO + NADH2
Ethanol Acétaldéhyde- Faits marquants : transfert d’hydrogènes et
d’électrons
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III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-2. Les réactions de transfertExemple :phosphorylation du glucoseGlucose + ATP Glucose-6 P + ADPEnzymes de catalyses = transférases
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III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-3. Réactions d’hydrolyse- réactions réversibles- Enzymes de catalyse : hydrolases- Exemple :CH3-CO-O-CH2-CH2-N
+(CH3)3 cH3-COOH + OH-CH2-CH2- N+(CH3)3
Acétylcholine Acide acétique + Choline
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III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-4.Réactions catalysées par les lyases
- Addition ou retrait de groupements à des carbones impliqués dans des liaisons
- Création ou saturation de doubles liaison
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III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiquesIII-5. Réactions d’isomérisation- Réarrangements intramoléculaires- Enzymes de catalyse : isomérases- Catégories d’isomérases Racémases :(série D Série L)Mutases : transfert interne de radical
(exemple : Glucose-6-phosphate Glucose-1-phosphate)
Epimérase ( exemple: Galactose glucose)Cis trans-isomérase (exemple : Fumarate
Malate)
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueComplexe enzyme-substrat (complexe ES)- fixation du Substrat sur le site actif de
l’enzyme
S + E ES P + E
Remarque : - S= substrat; E = Enzyme; P = Produit- Disparition de S se traduit par l’apparition de P
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueVitesse de la réaction (V)-Nombre de molécules de substrat (S)
transformées en produit (P) par unité de temps. V = ‑ d[S] = d[P] dt dt- Ordre de réaction 0, 1 ou 2 en cinétique
chimique A…B V = ‑ d[A] = K[A] dt α = ordre de la réaction; K = constante de
vitesse
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueRéaction du premier ordre : - transformation d’un seul substrat- [S] est une fonction exponentielle
décroissante du temps et de K la constante de vitesse:
Ln [S] = -Kt + Ln [S0] d’oùV = ‑ d[S] = d[P] = K1[S] dt dtT1/2=durée de consommation de la moitié de [S]T1/2 = Ln2/K1
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueRéaction de second ordre :- réaction où deux substrats réagissent entre
eux pour donner un ou deux produits A + B …… CV = d[C] = K[A] [B] dt Remarque : V en Ms-1 et K en M -1 S –1
T1/2 = 1/(K2 [A0])
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueApplication à la réaction enzymatique- 2 étapes essentielles : formation du complexe
ES et étape de catalyse avec apparition de produit (P)
E + S ES E + P
Remarque : - ES = complexe de Michaëlis – Menten- ES se dissocie en P et en E. La constante est
appelée constante catalytique Kcat (en s -1 )
K1
K-1
K2
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatique
Vitesse initialeV0 = d[P] = Kcat [ES] dtHypothèse de Brigg et Haldane- notion d’état stationnaire :Va = K1[E][S] = Vd= K-1 [ES] + Kcat [ES]
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Brigg – HaldaneK1[E][S] = K-1 [ES] + Kcat [ES]= (K-1 + Kcat) [ES] et
(K-1 + Kcat)/ K1 = Km
D’où [E][S] = Km [ES] Km = constante de Michaëlis .Remarque : Km s’exprime en molarité (ou M),
c’est une concentration.
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Michaelis – Menten
[E]totale = [E]0 = [E] + [ES] d’où [E]= [E]0 - [ES]
On a [E][S] = Km [ES] ( équation de Brigg – Haldane)
Alors ([E]0 - [ES]) [S] = Km [ES]
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Michaëlis – Menten[E]0 [S] - [ES] [S] = Km [ES] d’où [E]0 [S] = [ES] [S] + Km [ES] = ([S] + Km ) [ES] [E]0 [S] = ([S] + Km ) [ES] d’où[ES] = [E]0 [S] / ([S] + Km ) Donc V0 = Kcat [ES] = Kcat [E]0 [S] / ([S] + Km )
= équation de Michaëlis-MentenRemarque : si [ES] = [E]0 =[E]totale
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IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Michaelis – Menten (MM)si [ES] = [E]0 = [E]totale alorsV0 = Vmax = Kcat [E]0 et on avait V0 = Kcat [ES] = Kcat [E]0 [S] / ([S] + Km )
V0 = Vmax[S] = équation de MM Km + [S]
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V- Représentation graphiqueV- Représentation graphiqueCinétique Michaélienne
Km
Vmax
v
[S]
Vmax/2
Courbe de Michaelis-Menten
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V- Représentation graphiqueV- Représentation graphiqueLinéarisation de l’équation de MMÉquation de Lineweaver- Burk (LB)
-1/Km
1/Vmax
2/Vmax
1/V
1/[S]
max
1)
][
1(
max
1
VSV
Km
v
Droite de Lineweaver-Burk
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V- Représentation graphiqueV- Représentation graphiqueLinéarisation de l’équation de MM
Transformation d’Eadie-Hofstee
Vmax/Km
Vmax
V
v/[S]
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V- Représentation graphiqueV- Représentation graphique
-Km
Km/Vmax
[S]/V
[S]
Linéarisation de l’équation de MM par Transformation selon Hanes
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Modulation de l’activité Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueObjectifs de la leçon1- Décrire les différents types d’inhibition
enzymatique2- Déterminer les constantes Km et Vmax en
absence et en présence d’un inhibiteur compétitif non compétitif ou incompétitif
3- Représenter la cinétique en absence et en présence de de chacun des différents inhibiteurs ( compétitif non compétitif ou incompétitif)
4- Comparer les profils cinétiques de l’enzyme à la cinétique michaëlienne et de l’enzyme allostérique
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VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueEffecteurs physiquesEffet du pH sur l’activité enzymatique - activité enzymatique maximale au pH optimum. Effet de la température sur l’activité
enzymatique- activité enzymatique maximale à température
optimale - Augmentation de la température peut
dénaturer (perte de l’activité enzymatique)
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Récapitulatif des effets pH et Récapitulatif des effets pH et température sur l’activité de température sur l’activité de l’enzymel’enzyme
3 7 12 10 40 70
Activité relative Activité relative
pH Température
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VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueActivateurs et Inhibiteurs enzymatiques- Certains composés agissent sur l’activité
enzymatique :en la favorisant (ce sont les activateurs), ou en la défavorisant (ce sont les inhibiteursInhibiteurs réversibles compétitifsInhibiteurs réversibles non compétitifsInhibiteurs incompétitifs.
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VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatique
Inhibiteurs réversibles compétitifs (IRC)- Les IRC se lient de manière réversible au site
actif de l'enzyme et en bloquent l'accès au substrat.
- IRC et substrat (S) souvent analogues structuraux d’où la compétition entre IRC et substrat (S)
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Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles compétitifsd’inhibiteurs Réversibles compétitifs
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Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles compétitifsd’inhibiteurs Réversibles compétitifsDevenir des constantes cinétiques KM et VmaxKM
Dans l’équation de Michaelis-Menten KM est remplacé par :
KM' = KM • (1 + [I]/KI )
où KI = ki/k-i est la constante de dissociation de l'inhibiteur.
Vmax La vitesse maximale vmax reste la même.
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Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles compétitifsd’inhibiteurs Réversibles compétitifsReprésentation graphique de Lineweaver-
Burk1/V
E + S
E + S + IRC
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VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatique
Inhibiteurs réversibles non compétitifs (IRNC)
- IRNC se lient de manière réversible ailleurs qu'au site actif de l'enzyme et n'en empêchent pas l'accès du substrat (S).
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Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles non compétitifsd’inhibiteurs Réversibles non compétitifs
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Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles non d’inhibiteurs Réversibles non compétitifscompétitifsDevenir des constantes cinétiques KM et Vmax
KM
- KM ne change pasVmax
- Vmax change
vmax' = vmax / (1 + [I]/KI )
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Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles non d’inhibiteurs Réversibles non compétitifscompétitifsReprésentation graphique de Lineweaver-Burk
1/V
E + S
E + S + IRNC
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VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueInhibition incompétitive - l'inhibiteur incompétitif ne se lie que sur le
complexe Enzyme-substrat (ES)
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VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatique
Effet des activateurs- petites molécules : cations métalliques- Association à l’enzyme ou au complexe ES- Effets délétères des chélateurs de ces ions sur
l’activité enzymatique
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VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Site actif- centre catalytique constitué de groupements
fonctionnels- groupements fonctionnels non forcément
voisins sur la structure I aire mais rapprochés à la faveur des autres structures (II aire, IIIaire et IV aire)
- Site actif = cible pour le marquage chimique
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VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Marquage du site actif de l’enzyme- marqueurs présentant une affinité des
groupements du sites- Marqueur inactive l’enzymeExemple de marqueurs :diisopropylfluorophosphate (cible :ser);iodacétamide (cible : Cys); acétylation (cible : -
NH2);estérification (cible : groupe C00H)
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VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Importance relative des AA dans l’activité de l’enzyme
- AA du site actif : rôle de fixation,d’orientation et d’activation
- AA collaborateurs : pas d’action directe mais leur fragilisation fragilise l’enzyme
- AA auxiliaires : participent fixation de S et expulsion de P
- AA non collaborateurs : rôle non établi.
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VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Niveau d’organisation des enzymes- systèmes poly enzymatiques :cas des enzymes
cellulaires (succession des réactions )- Exemple de chaîne séquentielle : E1 E2 E3 E4
A → B → C → D → Produit final
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VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Enzymes allostériquesCaractéristiques- enzymes volumineuses, fragiles (purification
difficile)- enzymes inactives à 0°C; activité optimale à
+20°C- Enzymes formées de plusieurs sous-unités - Coopérativité des sous-unités par transition
allostérique
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VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Enzymes allostériquesCinétique des enzymes allostériques-Allure sigmoïdale (Enzyme allostérique)
contrairement à celle hyperbolique (Enzyme à cinétique michaëlienne)
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VII- Support structural- VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation Mécanisme d’action – Régulation des enzymesdes enzymes
cinétique d’enzyme allostérique v
[S]
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VII- Support structural- VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation Mécanisme d’action – Régulation des enzymesdes enzymes
Enzymes allostériquesDésensibilisation des enzymes allostériques- perte de l’effet coopératif - Insensibilité aux modulateurs- Activité enzymatique : l’allure sigmoïde est
remmplacée par une hyperbole (cinétique michaélienne)
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VIII- Les CoenzymesVIII- Les CoenzymesGénéralités sur les coenzymes- Enzymes distinguées en holoenzymes et en
hétéroenzymes- Hétéroenzyme : apoenzyme + partie non
protéique- Partie non protéique :Cofacteur = ion métalliqueCoenzyme = molécule organique (groupement
prostétique, co substrat)Exemples de coenzymes : NAD; NADP; FAD; FMN, phosphate de pyridoxal;
pyrophosphate de thiamine, Coenzyme A
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IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymesGénéralités sur les isoenzymes- Isoenzymes = formes moléculaires d’une même
enzyme- Formes actives sur le même substrat principalÉléments de différence :- Charge- pH optimum d’activité- Thermostabilité- Substrats secondaires- Inhibiteurs chimiques
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IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymes Intérêts bio cliniques des isoenzymesExemple de la lacticodéshydrogénase (LDH)- 5 isoenzymes LDH1, LDH2, LDH3,LDH4 et LDH5
- Chaque isoenzyme, tétramérique, est formées à partir de deux types de sous-unités M et H
- origine tissulaire des sous-unités :M : prédominant dans le muscleH : prédominant dans le cœur (H = Hearth)
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IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymes Intérêts bio cliniques des isoenzymesProfil électrophorétique des isoenzymes LDH M4 M3H1 M2H2 M1H3 H4
LDH5 LDH4 LDH3 LDH2 LDH1
Dépôt
- +
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IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymes Intérêts bio cliniques des isoenzymesExemple de la créatine kinase (CK)- 3 isoenzymes : CK-BB, CK-MB et CK-MM- Chaque isoenzyme, dimérique, est formée à
partir de deux types de sous-unités M et BM : prédominant dans le muscleB : prédominant dans le cerveau (B = Brain)- CK-BB, CK-MB et CK-MM sont séparables par
électrophorèse- CK-MB augmente au cours de l’infarctus du
myocarde
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X- Les macroenzymesX- Les macroenzymesGénéralités :macroenzymes : formes inhabituellesComplexes divers : - association enzymes et immunoglobulines - enzymes autoagrégées - association enzymes et lipoprotéines - enzymes de fragment membranaire
circulant
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X- Les macroenzymesX- Les macroenzymes Intérêts bio cliniques des macroenzymesExemples :Macroamylase : élévation dans affection
pancréatiqueMacrocréatine kinases : macro CK de type 1
et macro CK de type 2
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X- Les macroenzymesX- Les macroenzymesValeur diagnostique des macrocréatines
kinases - Élévation macro CK de type 1 : sans valeur
diagnostique, faux positif au cours de l’infarctus du myocarde
- Élévation macro CK de type 2 :infarctus massif du myocarde (mauvais pronostic)
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FINFIN