Cours ifsi - Biologie fondamentale - les enzymes

La biologie fondamentale (UE 2.1 S1) est un enseignement dense mais néanmoins indispensable aux étudiants en soins infirmiers.  Bonne lecture et bon travail d'assimilation !

1. Généralités - définitions

L'organisme humain est le siège de nombreuses réactions chimiques. Le métabolisme catalyse ces réactions en utilisant des substances qui vont multiplier la vitesse de ces réactions chimiques.

Ces substances sont appelées enzymes ou biocatalyseurs.

Les enzymes sont donc des acteurs incontournables de la vie de la cellule.

Une enzyme est une protéine capable d'accélérer les réactions chimiques du métabolisme se déroulant dans le milieu cellulaire ou extracellulaire.

Elle appartient à la famille des catalyseurs.

Elle agit sur la vitesse de la réaction Mais, ne change pas avec la réaction.

Une enzyme, comme toute protéine, est synthétisée par les cellules vivantes à partir des informations codées dans l'ADN. Il existe plus de 3.500 enzymes.

Un catalyseur est désigné comme toute substance capable d'accélérer une réaction chimique.

La réaction biochimique : c'est une réaction chimique qui se déroule dans la cellule ou le milieu cellulaire, en présence d'un catalyseur biologique (biocatalyseur), l'enzyme.

On écrira une réaction enzymatique de la manière suivante :

Réaction enzymatique

Il existe essentiellement 2 grands types de réactions biochimiques :

• Les réactions de dégradation de la matière organique (catabolisme) ;
• Les réactions de synthèse de la matière organique (anabolisme).

Un substrat est une molécule transformée au cours d'une réaction chimique.

Un produit dans une réaction enzymatique est la molécule résultante de la transformation d'un substrat au cours de cette réaction.

2. Propriétés

Propriétés d'une enzyme :

• Inchangée en fin de réaction ;
• Agit à concentration très faible ;
• Incapable de créer une réaction nouvelle : seulement accélération d'une réaction possible ;
• Spécifique :
  • soit d'une seule réaction : ex : maltose --> 2 glucoses avec la maltase ;
  • soit d'un type de réaction : ex : protéine phosphorylée + H20 --> protéine + acide phosphorique avec la phosphatase ;
• Une enzyme catalyse une réaction donnée.

3. La mesure de l'activité enzymatique

Elle correspond à la vitesse de la réaction qu'une enzyme est capable de catalyser.

Elle est mesurée à partir de la quantité de produit constitué ou de réactif disparu par unité de temps.

L'affinité de l'enzyme pour son substrat est donnée par la constante de Michaelis.

Elle est exprimée en UI (Unités Internationales), sachant qu'1 U.I. = 1 (mole de substrat consommée par minute).

3 1. Facteurs influençant l'activité enzymatique

3 1.1. Température

Pour des températures comprises entre 10 et 60°C environ, une réaction enzymatique (comme toute réaction chimique) voit sa vitesse de réaction augmenter.

Les enzymes étant des protéines, elles sont dénaturées à partir d'une certaine température (autour de 60°C).

La perte de la structure tridimensionnelle entraîne une perte de fonction et donc une chute de l'activité enzymatique.

Chaque enzyme est caractérisée par une température optimale pour laquelle son activité enzymatique est maximale.

3 1.2. Ph

Exemple des enzymes digestives.

Les enzymes de la digestion des protéines ont des pH optimums différents pour s'adapter aux conditions de pH qui règnent dans la lumière aux différents étages du tube digestif.

Ainsi l'activité de la pepsine est maximale pour un milieu très acide comme celui de l'estomac où elle est secrétée.

Au contraire les enzymes pancréatiques comme l'amylase et la trypsine, ont un pH optimum d'action plus alcalin car dans le duodénum où elles exercent leur activité le pH est normalement proche de 8.

3 1.3. Effecteurs :

Un effecteur est une substance chimique qui modifie l'activité enzymatique (c'est-à-dire la cinétique d'une réaction enzymatique).

Les effecteurs ont :

• Soit un effet réversible : l'effet ne se manifeste qu'en présence de l'effecteur et disparaît avec l'élimination de l'effecteur ;
• soit un effet irréversible : l'effet peut augmenter avec le temps de contact entre l'enzyme et l'effecteur et persister plus ou moins longtemps après élimination de ce dernier (inactivation).

On distingue 2 types d'effecteurs :

• un activateur est un effecteur qui augmente l'activité enzymatique. Ce sont des molécules ou des ions qui s'associent à l'enzyme ou au complexe ES pour augmenter la vitesse des réactions enzymatiques.
• un inhibiteur est un effecteur qui diminue l'activité enzymatique.

On considère différents types:

• les activateurs vrais qui sont en général des ions métalliques ;
• des ions anti-inhibiteurs (cas de l'ion CN- qui lève l'inhibition exercée sur l'uréase par les sels de cuivre) ;
• des activateurs de proenzymes (zymogènes) ;
• un inhibiteur est un effecteur qui diminue l'activité enzymatique.

Deux types d'inhibiteurs agissent au niveau de la réaction enzymatique :

• des inhibiteurs irréversibles (covalents). L'inhibiteur ne peut plus se dissocier de l'enzyme.
  Exemple : blocage d'une fonction -OH du site actif
• des inhibiteurs réversibles également appelés effecteurs Michaeliens.

Parmi ces inhibiteurs, on distingue trois types d'inhibitions :

• les inhibiteurs compétitifs : Un inhibiteur compétitif est une molécule présentant une analogie de structure avec le substrat, il peut donc entrer en compétition avec le substrat pour occuper le site actif de l'enzyme. Exemples : les médicaments sont des inhibiteurs compétitifs de réactions enzymatiques spécifiques à l'agent pathogène (cas des sulfamides) ;

• les inhibiteurs non compétitifs : Ces inhibiteurs se fixent soit :
  • sur l'enzyme Mais, en un site différent du substrat ;
  • sur le complexe [enzyme- substrat] ;
  • sur les deux à la fois.

• les inhibiteurs incompétitifs : Il y a blocage du complexe [ES]. L'inhibiteur se fixe obligatoirement sur le complexe [ES]. Ceci suppose que le site de fixation de l'effecteur ne soit pas directement accessible Mais, dés que le substrat S est fixé, le site de l'inhibiteur est alors démasqué.
  Exemple : la phosphatase alcaline (PAL) a comme inhibiteur incompétitif la L.Phénylalanine.

3 2. Les constituants des enzymes

Il existe deux grandes catégories d'enzymes :

• les enzymes purement protéiques : elles ne sont constituées que d'acides aminés. Ce sont les holoenzymes ;
• les enzymes en deux parties : une partie protéique appelée apoenzyme et une partie non protéique appelée cofacteur. L'association des 2 parties forme l'hétéroenzyme.

3 3. Les cofacteurs enzymatiques

Un cofacteur est une substance chimique non protéique, Mais, qui est liée à une protéine, et qui est nécessaire à l'activé biologique de cette protéine.

Ces protéines sont souvent des enzymes, et les cofacteurs peuvent être considérés comme des " molécule d'assistance " aidant aux transformations biochimiques.

Les cofacteurs peuvent être classés selon leur mode de liaison aux enzymes : des cofacteurs faiblement liés à l'enzyme (liaison hydrogène ou ionique) seront appelés coenzymes, et des cofacteurs fortement liés à l'enzyme (liaison covalente) seront appelés groupements prosthétiques.

3 1.1. Les ions métalliques

Ions minéraux (" cofacteurs minéraux "). Ce sont des oligoéléments tels que Ca++; Mg++, Mn++, Zn++, etc...

L'ion associé à la partie protéique forme ainsi le Métallo-enzyme.
 

3 3.2. Les coenzymes

3 3.2.1. Deux types de coenzymes

Les réactions auxquelles participent les coenzymes sont des réactions de transfert (d'électrons, de protons, de groupement phosphate etc.).

Ils servent d'accepteur temporaire.

On distingue :

• les coenzymes activateurs ou groupements prosthétiques ;
• les groupements prosthétiques sont fortement liés à l'apoenzyme par des liaisons covalentes. Ils ne se détachent pas de l'apoenzyme au cours de la réaction (exemple : FAD). L'enzyme elle-même les remet en état initial. Les groupements prosthétiques appartiennent à plusieurs catégories moléculaires, le plus connu -l'hème- intervient dans la plupart des réactions ou l'oxygène intervient (hémoglobine, hémocyanine) ou plus généralement dans les réactions d'oxydo-réduction (cytochrome, chlorophylle). Mais, il en existe bien d'autres, beaucoup appartenant à la famille des vitamines.

3 3.2.2. Les coenzymes transporteurs

Les coenzymes transporteurs ou cosubstrats : ils se dissocient facilement de l'apoenzyme.

Le coenzyme ne retrouve son état initial que lors d'une seconde réaction faisant intervenir une deuxième enzyme (exemple : NAD, ATP).

Quand l'enzyme est inactive, le coenzyme n'est pas fixé à l'enzyme.

3 4. Le site actif

La fonction des enzymes est liée à la présence dans leur structure 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 faibles.

Une fois fixés, les substrats vont réagir et se transformer en produit.

Le site actif est subdivisé en deux parties :

• le site de liaison/fixation/reconnaissance : il reconnaît la complémentarité de forme avec un substrat spécifique à l'enzyme ;
• le site catalytique : il permet la réaction transformant le substrat en produit.

4. Nomenclature

La nomenclature des enzymes n'est pas standardisée, Mais, le plus souvent elle se compose d'un radical proche du substrat ou du produit de la catalyse suivit du suffixe -ase.

Exemple : l'amidon synthétase catalyse la synthèse de l'amidon.

Les enzymes sont classées en six principaux groupes, en fonction du type de réaction qu'elles catalysent.

Elles sont classifiées par un système numérique standard.

Leur numéro est attribué par l' " Enzyme Commission " (EC).

1. oxydo-réductases (E.C.1) ;
2. transférases (E.C.2) ;
3. hydrolases (E.C.3) ;
4. lyases (E.C.4) ;
5. isomérases (E.C.5) ;
6. ligases ou synthétases (E.C.6).

4 1. Les isoenzymes

Les isoenzymes (ou isozymes) sont des enzymes présentant une séquence d'acides aminés différente d'une autre enzyme Mais, catalysant la même réaction chimique.

Ces enzymes présentent habituellement des paramètres cinétiques différents ou des propriétés de régulation différentes.

L'existence d'isoenzymes permet une meilleure adaptation au métabolisme pour répondre aux besoins d'un tissu ou d'un stade de développement particulier.

Ex : créatine-kinase (CK) : formée de 2 sous-unités : M ou B

3 iso-enzymes :

• CK-MM (muscle) ;
• CK-MB (cœur) ;
• CK-BB (cerveau).

En cas d'infarctus du myocarde, seule CK-MB augmente dans le sang (libération de leur contenu par les cellules cardiaques nécrosées).

4 2. Intérêt du dosage enzymatique

Si lésion d'un organe, augmentation des enzymes provenant de cet organe dans le sérum.

Exemple : les enzymes cardiaques CK-MB en cas de lésion cardiaque

Certaines maladies avec déficit enzymatique.

Exemples :

• L'acatalasie est une maladie héréditaire du métabolisme rare, causée par le déficit d'une enzyme, catalyseur organique, appelée catalase. Le déficit de l'activité de la catalase est présent dans de nombreux tissus de l'organisme, en particulier les globules rouges, la moelle osseuse, le foie et la peau.
• La maladie de Gaucher est liée à un déficit enzymatique en glucocérébrosidase, qui entraîne l'accumulation de lipides, les glucocérébrosides, dans les cellules de stockage de l'organisme.

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