Fiche de révision : Enzymologie et régulation enzymatique

📋 Plan du Cours

1. Propriétés générales des enzymes
2. Spécificité et classes enzymatiques
3. Catalyse et site actif
4. Cinétique des enzymes michaeliennes
5. Enzymes allostériques et coopérativité
6. Inhibition compétitive et captopril
7. Inhibition non compétitive et lithium
8. Modifications covalentes irréversibles
9. Inhibition enzymatique et captopril
10. Régulations covalentes et glycogène
11. Régulation allostérique
12. Activation protéolytique
13. Expression des enzymes
14. Repères cinétiques et constantes

📅 Repères chronologiques

1. 1959Kohlend a proposé le modèle dynamique de l’ajustement induit, dans lequel la fixation du substrat déclenche des changements de conformation du site actif qui deviennent complémentaires au substrat.
2. 1961La Commission des enzymes de l’Union internationale de biochimie a contribué à la mise en place de la nomenclature internationale des enzymes.
3. 1965Le modèle concerté, également appelé modèle symétrique ou modèle MWC, a été associé à Monod, Wyman et Changeux. - Monod, Wyman, Changeux, 1965
4. 1966Le cours situe le modèle séquentiel et l’attribue à Koubland.

📖 1. Propriétés générales des enzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Biocatalyseur des réactions du métabolisme.
• Apoenzyme : Dans ce cours, l’apoenzyme désigne la partie protéique de l’enzyme, étudiée sans ses coenzymes éventuels.

★ À maîtriser

• Les enzymes sont thermolabiles : une élévation de température peut modifier leur structure tridimensionnelle, les dénaturer et leur faire perdre leur activité.

• La Taq polymérase, issue d’une bactérie thermophile aquatique, a une température optimale de 72 °C et une demi-vie de 10 minutes à 95 °C ; elle est utilisée en PCR pour amplifier l’ADN après dénaturation thermique.

• Les enzymes agissent à très faible concentration et sont régénérées à la fin de la réaction catalysée.

📌 La glucokinase phosphoryle uniquement le glucose, tandis que l’hexokinase peut phosphoryler tous les hexoses, dont le glucose.

Compléments

• Une enzyme possède une température optimale d’activité, qui dépend de sa sensibilité à la dénaturation thermique.

📖 2. Spécificité et classes enzymatiques

★ À maîtriser

• La spécificité enzymatique limite la formation de sous-produits, contrairement à l’action moins spécifique des catalyseurs chimiques.

📌 La spécificité enzymatique porte sur le type de réaction catalysée et sur le substrat de la réaction.

📌 Les coenzymes d’oxydoréduction existent sous une forme oxydée, comme le NAD⁺, et une forme réduite, comme le NADH et H⁺.

• La nomenclature internationale des enzymes utilise un code EC à quatre chiffres : le premier indique la classe et les trois autres précisent le type de réaction catalysée.

• Les transférases sont la classe EC 2 et transfèrent un groupe spécifique, notamment méthyle, acyle, glucosyle ou phosphate, d’une molécule à une autre.

• Les hydrolases sont la classe EC 3 et clivent des liaisons telles que C–O, C–N ou C–C par hydrolyse.

• Les lyases, ou synthases dans la terminologie du cours, sont la classe EC 4 et clivent ou forment des liaisons, notamment C–O ou C–C, par élimination plutôt que par hydrolyse ou oxydation.

Compléments

• Les oxydoréductases catalysent uniquement des réactions d’oxydoréduction, dans lesquelles un composé oxydé et un composé réduit échangent leur état d’oxydation.

• L’alcool déshydrogénase oxyde un alcool en aldéhyde ou en cétone en utilisant le NAD⁺, qui est réduit en NADH et H⁺.

• Le cours présente six grandes classes enzymatiques et signale l’ajout des translocases comme septième classe en 2018.

• Les oxydoréductases sont la classe EC 1 ; l’alcool déshydrogénase, de code EC 1.1.1.1, en est un exemple.

• L’hexokinase, de code EC 2.7.1.1, catalyse le transfert d’un phosphate de l’ATP à un hexose pour former un hexose 6-phosphate.

• Les protéases sont des hydrolases qui clivent les liaisons protéiques des protéines.

📖 3. Catalyse et site actif

🔑 Notions clés & Définitions

• État de transition : État de haute enthalpie libre traversé entre les substrats et les produits.
• Énergie libre d’activation : Barrière énergétique à franchir pour atteindre l’état de transition à partir des substrats.
• Site actif : Petite partie de l’enzyme où se fixe le substrat et où se déroule la catalyse.

★ À maîtriser

• Un catalyseur, notamment une enzyme, accélère une réaction en diminuant son énergie libre d’activation sans modifier l’état initial ni l’état final.

📌 Une enzyme accélère une réaction thermodynamiquement possible, mais ne rend pas possible une réaction thermodynamiquement impossible.

• Le substrat se fixe à l’enzyme pour former le complexe enzyme-substrat ES ; l’étape catalytique forme ensuite le produit et régénère l’enzyme.

📌 Le modèle clé-serrure, présenté dans le cours comme datant de 1890, décrit un site actif rigide déjà complémentaire du substrat, tandis que le modèle de l’ajustement induit décrit une complémentarité acquise après la fixation.

Compléments

• Une réaction spontanée dont le ΔG est négatif est thermodynamiquement possible et possède des produits d’énergie plus faible que les substrats.

📐 Formule - La constante de dissociation du complexe ES est $K_i = \frac{k_{-1}}{k_1} = \frac{[E][S]}{[ES]}$, où $k_1$ et $k_{-1}$ sont les constantes de vitesse de formation et de dissociation.

• La formation du complexe enzyme-substrat est réversible, tandis que l’étape catalytique est considérée ici comme ne se déroulant pas en sens inverse.

• Le site actif forme une poche hydrophobe dans la structure de l’enzyme et comprend des sites de liaison au substrat ainsi qu’un site catalytique, qui peuvent être confondus ou distincts.

• Une mutagenèse dirigée qui empêche les ajustements induits peut entraîner une inactivation au moins partielle de l’enzyme.

• Les changements de conformation associés à l’ajustement induit ont une amplitude de 0,1 à 1 nanomètre.

💡 Astuce mémo

La fixation du substrat induit un ajustement du site actif → la catalyse devient possible.

📖 4. Cinétique des enzymes michaeliennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse maximale : Vitesse atteinte lorsque l’enzyme est saturée par une forte concentration de substrat et que tous ses sites sont occupés.
• Constante de Michaelis : Concentration en substrat pour laquelle la vitesse initiale atteint Vmax/2.

★ À maîtriser

• La représentation de Michaelis-Menten trace la vitesse initiale v₀ en fonction de la concentration en substrat et produit une hyperbole.

• La représentation de Lineweaver-Burk est une représentation en double inverse qui trace 1/v₀ en fonction de 1/[S].

📐 Formule - Dans Lineweaver-Burk, la pente vaut $\frac{K_m}{V_{\max}}$, l’ordonnée à l’origine vaut $\frac{1}{V_{\max}}$ et l’abscisse à l’origine vaut $-\frac{1}{K_m}$.

Compléments

• La représentation hyperbolique de Michaelis-Menten ne permet pas d’atteindre directement Vmax, ce qui peut conduire à sous-estimer Vmax et Km.

• La représentation de Lineweaver-Burk est moins adaptée aux données expérimentales lorsque les concentrations de substrat sont faibles, car les points peuvent se trouver dans une plage étroite.

• La représentation d’Eadie-Hofstee utilise une relation linéaire entre v₀ et le rapport v₀/[S].

📌 Le cours demande de savoir déterminer Vmax et Km sur les représentations de Lineweaver-Burk et d’Eadie-Hofstee, puis de retrouver l’équation de l’autre représentation.

📖 5. Enzymes allostériques et coopérativité

🔑 Notions clés & Définitions

• K₀,₅ : Concentration en substrat correspondant à la vitesse Vmax/2 pour une enzyme allostérique et jouant un rôle équivalent à Km pour une enzyme michaelienne.
• Transition allostérique : Passage réversible entre les conformations T et R d’une enzyme allostérique.

★ À maîtriser

• Les enzymes allostériques sont oligomériques, fonctionnent de manière coopérative et sont régulées par des effecteurs activateurs ou inhibiteurs, souvent des métabolites des voies métaboliques.

• Les enzymes michaeliennes ont une cinétique hyperbolique, tandis que les enzymes allostériques ont une cinétique sigmoïde associée à une coopérativité positive.

• Les enzymes allostériques peuvent passer réversiblement entre l’état T, inactif et de faible affinité pour le substrat, et l’état R, actif et de forte affinité.

• Dans le modèle MWC, toutes les sous-unités changent simultanément de conformation vers l’état R à l’arrivée du substrat ; dans le modèle séquentiel, le changement se fait au fur et à mesure de la fixation du substrat.

Compléments

• La phosphofructokinase 1 est présentée comme une enzyme tétramérique et l’hexokinase comme une enzyme dimérique ; leurs sous-unités sont nécessaires à leur fonctionnement.

• Les enzymes allostériques interviennent dans la régulation du métabolisme et leur activité peut être adaptée aux besoins du fonctionnement cellulaire.

• Le cours cite la glycémie comme facteur pouvant activer ou inhiber des voies métaboliques selon les besoins.

💡 Astuce mémo

MWC : toutes les sous-unités changent ensemble ; modèle séquentiel : elles changent au fur et à mesure.

📖 6. Inhibition compétitive et captopril

★ À maîtriser

📌 En inhibition compétitive, le substrat et l’inhibiteur se lient au même site ; la fixation de l’inhibiteur empêche la formation du produit.

📐 Formule - En inhibition compétitive, $K_m' = K_m\left(1 + \frac{[I]}{K_I}\right)$ et $V_{\max}' = V_{\max}$, donc Km augmente tandis que Vmax reste inchangée.

• L’ACE est une métalloprotéase nécessitant du zinc pour fonctionner, et le captopril se fixe à son site actif en chélatant ce zinc.

• L’ACE convertit l’angiotensine I en angiotensine II, qui entraîne une vasoconstriction et une augmentation de la tension artérielle ; le captopril bloque cette conversion et inhibe ainsi la vasoconstriction.

Compléments

📐 Formule - La constante d’inhibition est définie par $K_I = \frac{[E][I]}{[EI]}$.

• Le téprotide, présent dans le venin de certaines vipères, est un inhibiteur compétitif de l’enzyme de conversion de l’angiotensine (ACE).

• Le captopril est présenté comme un médicament synthétisé à partir de la formule du téprotide, plus stable et efficace que celui-ci, qui inhibe l’ACE.

• L’angiotensine I est un décapeptide inactif, tandis que l’angiotensine II est un octapeptide actif.

📖 7. Inhibition non compétitive et lithium

★ À maîtriser

📌 En inhibition non compétitive, le site de fixation de l’inhibiteur est différent de celui du substrat ; les complexes ES, EI et ESI peuvent se former.

📐 Formule - Dans la représentation donnée pour l’inhibition non compétitive, $V_{\max}' = \frac{V_{\max}}{1 + \frac{[I]}{K_I}}$, donc Vmax diminue.

• Le lithium inhibe l’IMPase, ou inositol monophosphatase, et est utilisé dans le traitement de la bipolarité.

Compléments

📐 Formule - Le document donne pour l’inhibition non compétitive $K_m' = \frac{K_m}{1 + \frac{[I]}{K_I}}$ et $V_{\max}' = \frac{V_{\max}}{1 + \frac{[I]}{K_I}}$, donc les deux paramètres diminuent.

• L’IMPase catalyse la conversion de l’inositol 1-phosphate en inositol ; le cours la décrit comme une enzyme homodimérique de deux sous-unités de 30 kDa dépendant du Mg²⁺.

• Le cours indique que les patients atteints de troubles bipolaires ont des taux relativement bas d’inositol 1-phosphate et que l’inhibition de l’IMPase par le lithium augmenterait sa concentration.

📖 8. Modifications covalentes irréversibles

📝 Points essentiels

• Le cours présente l’aspirine comme un inhibiteur irréversible de la cyclooxygénase (COX) et de la biosynthèse des prostaglandines.

📖 9. Inhibition enzymatique et captopril

★ À maîtriser

• Le captopril se fixe au site actif de l’ACE et chélate le zinc nécessaire à son fonctionnement, empêchant la conversion de l’angiotensine I en angiotensine II.

• L’ACE permet la conversion de l’angiotensine I en angiotensine II, qui provoque une vasoconstriction et une augmentation de la pression artérielle.

Compléments

• L’IMPase, ou inositol monophosphatase, catalyse la conversion de l’inositol 1-phosphate en inositol et est inhibée par le lithium utilisé dans le traitement de la bipolarité.

• L’IMPase est une enzyme homodimérique composée de deux sous-unités de 30 kDa et dépend du Mg²⁺.

💡 Astuce mémo

Captopril chélate le zinc de l’ACE → moins d’angiotensine II → moins de vasoconstriction

📖 10. Régulations covalentes et glycogène

★ À maîtriser

• L’aspirine acétyle irréversiblement une sérine du site actif de la COX-2, ce qui bloque l’accès de l’acide arachidonique et empêche la production de prostaglandines.

📌 La glycogénogenèse stocke le glucose sous forme de glycogène, tandis que la glycogénolyse dégrade le glycogène pour obtenir du glucose et ne se confond pas avec la glycolyse.

• La glycogène synthase est l’enzyme clé de la glycogénogenèse, tandis que la glycogène phosphorylase est l’enzyme clé de la glycogénolyse.

• En cas d’hypoglycémie, le glucagon et l’adrénaline activent une cascade de phosphorylations qui active la glycogène phosphorylase et favorise la glycogénolyse.

• En cas d’hyperglycémie, l’insuline favorise l’activation de la glycogène synthase, stimule la glycogénogenèse et favorise le stockage du glucose sous forme de glycogène.

Compléments

• L’aspirine est l’acide acétylsalicylique et appartient aux anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS).

• La COX-2 transforme l’acide arachidonique, précurseur oméga-6 à 20 atomes de carbone, en PGH₂, intermédiaire central de la synthèse des prostaglandines.

• La prostaglandine E-synthase transforme la PGH₂ en PGE₂, laquelle induit fièvre, douleur et inflammation.

📌 La glycogène phosphorylase est active sous forme phosphorylée et inactive sous forme déphosphorylée, tandis que la glycogène synthase est active sous forme déphosphorylée et inactive sous forme phosphorylée.

• La protéine kinase A (PKA), activée par l’AMPc dans la voie décrite, participe à la cascade qui active la glycogène phosphorylase et inhibe la glycogène synthase.

💡 Astuce mémo

Hypoglycémie : phosphorylase active ; hyperglycémie : synthase active

📖 11. Régulation allostérique

★ À maîtriser

• Un activateur allostérique favorise l’état R, déplace la courbe vers la gauche et augmente l’affinité de l’enzyme pour le substrat en diminuant K_A.

• Un inhibiteur allostérique favorise l’état T, déplace la courbe vers la droite et diminue l’affinité de l’enzyme pour le substrat.

• Le fructose 1,6-bisphosphate active la pyruvate kinase, tandis que l’ATP l’inhibe.

Compléments

• La pyruvate kinase catalyse la dernière réaction de la glycolyse, qui transforme le phosphoénolpyruvate en pyruvate.

💡 Astuce mémo

R rapproche de l’activation ; T rapproche de l’inhibition

📖 12. Activation protéolytique

🔑 Notions clés & Définitions

• Proenzyme : Une proenzyme est un précurseur enzymatique inactif, souvent protéolytique, activé par clivage lorsque son activité est nécessaire.

★ À maîtriser

• 🔄 L’activation des caspases se déroule ainsi :
  1. Clivage protéolytique du prodomaine de la procaspase
  2. Association des sous-unités en une caspase active tétramérique
  3. Activation en cascade d’autres procaspases

Compléments

• Les enzymes digestives sont synthétisées sous forme de précurseurs par le pancréas, puis activées dans l’intestin.

• L’activation pathologique des enzymes digestives dans le pancréas peut entraîner la destruction du pancréas, comme dans les pancréatites aiguës.

• Les caspases sont des acteurs de l’apoptose et sont synthétisées sous forme inactive afin d’éviter la destruction prématurée des cellules qui les produisent.

💡 Astuce mémo

Procaspase → clivage → assemblage → caspase active

📖 13. Expression des enzymes

★ À maîtriser

• L’insuline diminue l’expression de la PEPCK, enzyme impliquée dans la néoglucogenèse à partir de précurseurs non glucidiques.

• Le glucagon augmente l’expression de la PEPCK, enzyme impliquée dans la néoglucogenèse à partir de précurseurs non glucidiques.

Compléments

• L’insuline induit l’expression des ARNm de l’acide gras synthase, enzyme importante dans la biosynthèse des acides gras.

📖 14. Repères cinétiques et constantes

★ À maîtriser

• Dans l’inhibition compétitive, le substrat et l’inhibiteur se fixent sur le même site de l’enzyme.

• Dans l’inhibition non compétitive, le substrat et l’inhibiteur se fixent sur des sites différents de l’enzyme.

• Dans l’inhibition incompétitive, l’inhibiteur ne se fixe à l’enzyme que si le substrat s’y est déjà fixé.

Compléments

• Le tableau donne les unités suivantes : K_D et K_m en mol·L⁻¹, K_A en M⁻¹, V_max en mol·L⁻¹·min⁻¹, K_cat en min⁻¹ et E₀ en mol·L⁻¹.

📐 Formule - Le coefficient de pente indiqué dans le tableau est donné par $K_m = \frac{Y_B-Y_B}{X_B-X_A}$.

📊 Tableaux de synthèse

Inhibitions enzymatiques réversibles

Comparaison des inhibitions enzymatiques