Fiche de révision : Enzymes et catalyse enzymatique

📋 Plan du Cours

1. Principe général de la catalyse
2. Énergie d’activation et état de transition
3. Cycle catalytique et spécificité
4. Facteurs de vitesse enzymatique
5. Mesure de la cinétique enzymatique
6. Modèle de Michaelis-Menten
7. Efficacité et activité enzymatiques
8. Allostérie et marqueurs pathologiques
9. Régulation des voies métaboliques
10. Contrôle des voies métaboliques
11. Isoenzymes et isoformes
12. Modes de régulation enzymatique
13. Inhibitions enzymatiques
14. Régulation allostérique
15. Régulation de la phosphorylase
16. Messages essentiels du cours

📖 1. Principe général de la catalyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Protéine particulière qui catalyse les réactions biochimiques et peut les accélérer de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois.

★ À maîtriser

📌 Une réaction exergonique est spontanée au sens thermodynamique, mais elle peut rester très lente sans catalyse enzymatique.

Compléments

• Les réactions biochimiques du vivant se déroulent généralement dans des conditions douces, à 37 °C chez l’Homme, avec une faible concentration en réactifs et le plus souvent à pH neutre.

💡 Astuce mémo

Enzyme → énergie d’activation abaissée → réaction accélérée

📖 2. Énergie d’activation et état de transition

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie d’activation : Énergie que les réactifs doivent absorber pour atteindre l’état de transition et permettre la rupture de leurs liaisons.
• État de transition : Configuration moléculaire instable dans laquelle les liaisons des réactifs sont fragilisées et plus faciles à briser.

📝 Points essentiels

📌 Une enzyme abaisse l’énergie d’activation et augmente la vitesse de réaction sans modifier la variation d’enthalpie libre ΔG ni l’état d’équilibre.

• Selon le postulat de Linus Pauling de 1948, les enzymes sont complémentaires des complexes activés et leur attraction diminue l’énergie du complexe activé, ce qui abaisse l’énergie d’activation.

💡 Astuce mémo

ΔG reste inchangé, tandis que ΔGA diminue

📖 3. Cycle catalytique et spécificité

🔑 Notions clés & Définitions

• Site actif : Sillon de l’enzyme, situé à sa surface ou légèrement en profondeur, qui constitue le site de réaction et peut contenir le site de fixation du substrat.

📝 Points essentiels

• 🔄 Le cycle catalytique de l’hydrolyse du saccharose comporte: la fixation du saccharose à la saccharase, l’arrivée d’une molécule d’eau dans le site actif, la conversion en glucose et fructose, la libération des produits et de l’enzyme

• L’anhydrase carbonique catalyse la transformation du CO2 et de l’eau en acide carbonique, une réaction essentielle à la régulation du pH sanguin, et multiplie sa vitesse par 5·10^6.

📌 Le modèle clé-serrure décrit un site complémentaire et rigide, tandis que le modèle de l’ajustement induit décrit une modification légère de l’enzyme après les premières interactions avec le substrat.

💡 Astuce mémo

Fixation → eau → hydrolyse → libération

📖 4. Facteurs de vitesse enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• pH optimum : Valeur de pH à laquelle son activité enzymatique atteint un maximum.
• Cofacteur : Petite molécule additionnelle, souvent issue d’une vitamine, qui intervient dans le site actif et est indispensable à de nombreuses réactions enzymatiques.

★ À maîtriser

• La pepsine a un pH optimum de 2, la trypsine de 6 et le lysozyme d’environ 5.

📌 Selon la loi d’Arrhenius, une augmentation de température de 10 °C multiplie la vitesse de réaction par 10, mais une température excessive peut dénaturer l’enzyme et diminuer la catalyse.

Compléments

📌 Les coenzymes sont de petites molécules intervenant souvent dans le transfert de groupes chimiques, tandis que les ions métalliques interviennent plutôt dans les transferts d’électrons.

📖 5. Mesure de la cinétique enzymatique

📝 Points essentiels

• 🔄 La mesure de la vitesse initiale consiste à: choisir une concentration en substrat, tracer la concentration du produit en fonction du temps, tracer la tangente à l’origine, mesurer sa pente, répéter l’expérience pour d’autres concentrations

📐 Formule — La vitesse de réaction est définie par $V = \frac{d[P]}{dt}$, où d[P] représente la variation de concentration du produit et dt la variation de temps.

📌 Une réaction enzymatique présente une relation hyperbolique entre la concentration en substrat et la vitesse, avec une augmentation initiale puis une asymptote horizontale.

💡 Astuce mémo

Produit-temps → tangente → vitesse initiale → variation de [S]

📖 6. Modèle de Michaelis-Menten

🔑 Notions clés & Définitions

• Constante de Michaelis : La constante de Michaelis $K_M = \frac{k_{-1}+k_2}{k_1}$ est une concentration de substrat qui caractérise chaque couple enzyme-substrat et s’apparente à l’inverse de l’affinité enzymatique.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’équation de Michaelis-Menten est $V = V_{max}\frac{[S]}{[S]+K_M}$, avec $V_{max}=k_2[E_T]$.

• Lorsque la concentration en substrat est égale à KM, la vitesse vaut Vmax/2 et 50 % de l’enzyme totale est sous forme de complexe enzyme-substrat.

Compléments

📐 Formule — Pour une réaction d’ordre 0, $V_0 = k$, tandis que pour une réaction d’ordre 1, $V_0 = k[S_0]$.

📐 Formule — En représentation en double inverse, l’équation est $\frac{1}{V}=\frac{K_M}{V_{max}}\frac{1}{[S]}+\frac{1}{V_{max}}$, avec des intersections en 1/Vmax et -1/KM.

💡 Astuce mémo

Faible [S] : ordre 1 ; forte [S] : ordre 0

📖 7. Efficacité et activité enzymatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre de turn over : Nombre de cycles catalytiques réalisés par seconde par une enzyme saturée en substrat, et son unité est s−1.
• Activité enzymatique : Vitesse maximale obtenue lorsque la concentration en substrat est saturante et largement supérieure à KM.

★ À maîtriser

📐 Formule — La vitesse maximale vérifie $V_{max}=k_{cat}[E_T]$ ; pour une enzyme donnée, kcat est constant et Vmax varie avec la quantité totale d’enzyme.

Compléments

📐 Formule — Lorsque la concentration en enzyme totale est connue, le nombre de turn over se calcule par $k_{cat}=\frac{V_{max}}{[E_T]}$.

• Une unité enzymatique transforme une micromole de substrat par minute à 25 °C, tandis que le katal correspond à une mole de substrat transformée par seconde.

📖 8. Allostérie et marqueurs pathologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme allostérique : Enzyme non michaelienne dont le KM ou le kcat peut varier selon la concentration en substrat ou la présence d’autres molécules.

★ À maîtriser

• La courbe sigmoïde est caractéristique d’une enzyme non michaelienne et permet une activité élevée surtout lorsque la concentration en substrat est élevée.

• La mesure de l’activité d’enzymes relarguées dans le sang aide au diagnostic et au suivi de maladies comme l’infarctus du myocarde, l’hépatite ou les atteintes du pancréas.

Compléments

• L’apparition précoce de transaminases dans le sang constitue un marqueur d’hépatite virale avant la production d’anticorps, puis leur activité diminue avec la réponse immunitaire.

💡 Astuce mémo

Michaelienne hyperbolique, allostérique sigmoïde

📖 9. Régulation des voies métaboliques

🔑 Notions clés & Définitions

• Régulation métabolique : Permet d’orienter une molécule vers l’une de plusieurs voies métaboliques favorables en contrôlant la présence ou l’activité des enzymes correspondantes.
• Rétrocontrôle : Régulation dans laquelle le produit final d’une voie métabolique bloque ou ralentit l’enzyme catalysant sa première étape lorsque ce produit est suffisamment abondant.

📝 Points essentiels

📌 Dans une voie métabolique transformant A en F par cinq réactions, le contrôle de l’enzyme catalysant l’étape 1, seule étape irréversible et fortement exergonique, suffit à contrôler l’ensemble de la voie.

💡 Astuce mémo

Produit final abondant → inhibition de l’étape d’engagement

📖 10. Contrôle des voies métaboliques

📝 Points essentiels

• Une voie métabolique transforme A en F par l’intermédiaire de cinq réactions chimiques, dont seule la première est irréversible et fortement exergonique avec un $\Delta G \ll\ll 0$.

📌 Dans le rétrocontrôle, le produit final F inhibe ou ralentit l’enzyme de la première étape lorsque sa concentration cellulaire est suffisante.

💡 Astuce mémo

Étape irréversible → engagement de la voie → rétrocontrôle par le produit final

📖 11. Isoenzymes et isoformes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isoenzyme : Forme enzymatique qui catalyse la même réaction qu’une autre forme, mais possède des paramètres de réglage et de contrôle différents selon les besoins d’un tissu ou d’un organe.

★ À maîtriser

📌 Les isoenzymes sont généralement exprimées à partir de gènes différents, tandis que les isoformes enzymatiques sont exprimées à partir du même gène puis modifiées au niveau de la protéine.

• Les lactates déshydrogénases se caractérisent par:
  • Cinq isoenzymes
  • Des tétramères
  • Des sous-unités H
  • Des sous-unités M

Compléments

• Dans le muscle, les lactates déshydrogénases produisent du lactate pendant l’effort, tandis que dans le foie elles utilisent le lactate pour produire du pyruvate par la réaction inverse.

• Les isoenzymes peuvent différer par:

  • Leur affinité pour le substrat ou le produit
  • Leur efficacité catalytique
  • Leur mode de régulation
  • Leur expression

• Le cœur possède une lactate déshydrogénase composée de quatre sous-unités H, tandis que le foie possède une forme composée de quatre sous-unités M.

💡 Astuce mémo

Isoenzymes : gènes différents ; isoformes : même gène modifié

📖 12. Modes de régulation enzymatique

★ À maîtriser

• Le niveau d’expression agit sur les gènes codant une enzyme et modifie la quantité totale d’enzyme présente, principalement au niveau de la transcription.

📌 La modification covalente régule l’activité enzymatique en modifiant certains acides aminés, notamment par phosphorylation ou déphosphorylation.

Compléments

• La protéolyse limitée active une enzyme par une coupure unique réalisée par une protéase à un site particulier.

• Les inhibiteurs sont des molécules, notamment des médicaments, qui diminuent l’activité enzymatique.

💡 Astuce mémo

Expression, protéolyse, covalence, inhibiteurs, allostérie : EP CIA

📖 13. Inhibitions enzymatiques

★ À maîtriser

📌 L’inhibition irréversible repose sur la fixation covalente d’une petite molécule, tandis que l’inhibition réversible comprend principalement les inhibitions compétitive et non compétitive.

📌 Un inhibiteur compétitif ressemble au substrat, se fixe au site actif et augmente le KM apparent sans modifier le Vmax.

📌 L’inhibition compétitive peut être levée par une augmentation de la concentration en substrat, qui reprend la place de l’inhibiteur au site actif.

• Le méthotrexate ressemble au dihydrofolate, se fixe à la dihydrofolate réductase avec une affinité 1000 fois supérieure à celle du dihydrofolate, mais n’est pas transformé par l’enzyme.

📌 Un inhibiteur non compétitif se fixe sur un site différent du site actif et diminue le Vmax sans modifier le KM.

Compléments

• L’aspirine inhibe irréversiblement la cyclo-oxygénase en liant covalemment son acétate à une sérine située à l’entrée du canal hydrophobe.

💡 Astuce mémo

Compétitive : KM augmente, Vmax inchangée ; non compétitive : Vmax diminue, KM inchangé

📖 14. Régulation allostérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Allostérie : Modulation réversible de l’activité d’une enzyme par la fixation d’un ligand sur un site différent du site actif.

★ À maîtriser

• Les enzymes allostériques sont multimériques et leur cinétique n’est pas purement michaelienne.

📌 Une enzyme allostérique de type K modifie principalement son KM, tandis qu’une enzyme allostérique de type V modifie principalement son Vmax.

📌 L’état tense possède un KM élevé et une activité plus faible, tandis que l’état relâché possède un KM faible et une activité plus élevée.

Compléments

• Les ligands allostériques sont généralement des métabolites comme l’ATP ou l’ADP qui signalent l’état énergétique de la cellule.

💡 Astuce mémo

État T tendu : KM élevé ; état R relâché : KM faible

📖 15. Régulation de la phosphorylase

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycogène phosphorylase : Enzyme qui libère rapidement du glucose à partir du stock de glycogène.

★ À maîtriser

• Le glucose est la principale source d’énergie cellulaire et il est stocké dans le foie et le muscle sous forme de glycogène.

• La phosphorylase est régulée par:

  • Des effecteurs allostériques
  • Une phosphorylation dépendante de signaux hormonaux
  • Des isoenzymes tissulaires

📌 La forme b de la phosphorylase musculaire est non phosphorylée, favorise l’état tense et est moins active, tandis que la forme a est phosphorylée sur la sérine 14, favorise l’état relâché et est plus active.

• Au début de l’exercice, l’augmentation de l’AMP active la forme b en favorisant son passage de l’état tense à l’état relâché, puis l’adrénaline phosphoryle la phosphorylase si l’effort se prolonge.

Compléments

• 🔄 Après l’effort:
  1. Excès de glucose 6-phosphate
  2. Retour à l’état tense
  3. Déphosphorylation
  4. Restauration de la forme b inactive

💡 Astuce mémo

Repos → AMP à l’effort → adrénaline prolongée → récupération

📖 16. Messages essentiels du cours

★ À maîtriser

📌 L’allostérie constitue un mode de régulation différent de la modification post-traductionnelle.

Compléments

• L’activité d’une enzyme permet de choisir les voies métaboliques, et les inhibiteurs compétitifs agissent sur le KM tandis que les inhibiteurs non compétitifs diminuent le Kcat.

📊 Tableaux de synthèse

Paramètres de la cinétique enzymatique

Comparaison des inhibitions réversibles