Fiche de révision : Enzymologie générale et cinétique

📋 Plan du Cours

1. Organisation et spécificité des enzymes
2. Énergie d’activation et catalyse enzymatique
3. Cofacteurs et coenzymes enzymatiques
4. Lois et paramètres de cinétique enzymatique
5. Représentation de Lineweaver-Burk
6. Unités d’activité enzymatique
7. Cinétique des réactions à deux substrats
8. Inhibitions enzymatiques
9. Effet du pH sur l’activité enzymatique
10. Propriétés des enzymes allostériques
11. Coopérativité et équation de Hill
12. Nombre de sites et équation de Scatchard
13. Mécanismes de catalyse enzymatique

📖 1. Organisation et spécificité des enzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Apoenzyme : Partie strictement protéique d’un complexe enzymatique.
• Holoenzyme : Ensemble formé par l’apoenzyme et, selon le cas, un cofacteur non protéique.

★ À maîtriser

• Les réactions chimiques catalysées par une enzyme se déroulent dans son site actif, ou site catalytique.

📌 Les isoenzymes ont des séquences en acides aminés différentes, mais catalysent la même réaction chimique.

Compléments

• La composition en acides aminés du site actif et la composition chimique du cofacteur déterminent la spécificité de la réaction enzymatique.

• Certaines enzymes possèdent un ou plusieurs sites régulateurs auxquels peuvent se fixer des effecteurs.

💡 Astuce mémo

Apoenzyme protéique, holoenzyme complète avec cofacteur

📖 2. Énergie d’activation et catalyse enzymatique

★ À maîtriser

• Une réaction enzymatique simple peut s’écrire $E + S \rightleftharpoons ES \rightleftharpoons EP \rightleftharpoons E + P$, où E est l’enzyme, S le substrat et P le produit.

• Une réaction enzymatique favorise l’orientation correcte des réactifs et diminue l’énergie d’activation, ce qui augmente la vitesse de réaction.

📌 Un catalyseur augmente la vitesse d’une réaction sans modifier son équilibre ni la variation d’énergie libre standard ΔG°.

Compléments

• Un catalyseur diminue la variation d’énergie libre d’activation dans les deux sens de la réaction et dans les mêmes proportions.

• Les réactions enzymatiques nécessitent le contact des substrats, une orientation adéquate lors de leur collision et une énergie suffisante pour franchir l’énergie d’activation.

💡 Astuce mémo

Barrière d’activation abaissée → réaction accélérée, équilibre inchangé

📖 3. Cofacteurs et coenzymes enzymatiques

★ À maîtriser

• Les cofacteurs, notamment les coenzymes, sont nécessaires à de nombreuses enzymes pour assurer leur fonction catalytique.

• Les coenzymes se répartissent en coenzymes d’oxydoréduction et en coenzymes de transfert de groupes chimiques.

• Le NAD⁺ accepte un ion hydrure porteur de deux électrons pour être réduit en NADH.

• Les enzymes à NAD interviennent dans les processus respiratoires d’oxydation, tandis que les enzymes à NADP participent aux réactions de biosynthèse.

Compléments

• Dans les réactions impliquant un coenzyme, celui-ci est le plus souvent régénéré presque instantanément : $X-B + Co \rightleftharpoons Co-B + X$, puis $Co-B + A \rightleftharpoons B-A + Co$.

• Dans le NADP⁺, un groupe hydroxyle est estérifié par un phosphate; le NAD et le NADP ont une origine commune.

• Le motif de Rossmann, ou motif de liaison des mononucléotides, est un domaine commun de liaison au coenzyme des déshydrogénases à NAD.

• La thiamine pyrophosphate (TPP), coenzyme de transfert de groupes chimiques, intervient dans les réactions où un groupe aldéhyde est transféré.

• Le complexe pyruvate déshydrogénase catalyse la réaction $\text{Pyruvate} + \text{CoASH} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+$.

📖 4. Lois et paramètres de cinétique enzymatique

★ À maîtriser

📐 Formule - La vitesse est la variation de concentration d’un constituant par unité de temps : $v=\frac{d[X]}{dt}$.

📌 Pour une réaction d’ordre zéro, la vitesse ne dépend pas de la concentration du réactif et vaut $v=k$; pour une réaction d’ordre un, elle lui est proportionnelle et vaut $v=k[A]$.

• La cinétique enzymatique est d’ordre un à faible concentration en substrat, puis d’ordre zéro lorsque le substrat atteint une concentration suffisante pour saturer l’enzyme; la courbe de saturation est une hyperbole.

📐 Formule - La constante de Michaelis est définie par $K_m=\frac{k_2+k_{-1}}{k_1}$.

📐 Formule - L’équation de Michaelis-Menten relie la vitesse initiale à la concentration en substrat : $V_0=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}$.

• Quand $[S]=K_m$, la vitesse vaut la moitié de la vitesse maximale, soit $V_0=\frac{V_{\max}}{2}$.

• Plus le Km (ou Ks) est faible, plus l’affinité de l’enzyme pour le substrat est élevée.

📐 Formule - La vitesse maximale est donnée par $V_{\max}=k_2[E_T]$, où k₂ est le nombre de turnover, ou kcat, correspondant à la constante de vitesse de l’étape limitante.

• Le rapport $k_{cat}/K_m$ mesure l’efficacité enzymatique et, lorsque $k_2\gg k_{-1}$, il est égal à k₁.

Compléments

📐 Formule - Pour la réaction $aA+bB\rightarrow pP$, la stœchiométrie donne $v=-\frac{1}{a}\frac{d[A]}{dt}=-\frac{1}{b}\frac{d[B]}{dt}=\frac{1}{p}\frac{d[P]}{dt}$.

• L’unité de vitesse est mol·L⁻¹·s⁻¹ en cinétique chimique et µmol·mL⁻¹·min⁻¹ en enzymologie.

📐 Formule - Pour une réaction $aA+bB\rightarrow P$, la loi de vitesse peut s’écrire $v=k[A]^a[B]^b$, où k est la constante de vitesse spécifique.

📐 Formule - Pour une réaction d’ordre zéro $A\rightarrow P$, la concentration évolue selon $[A]=[A_0]-kt$ et le produit se forme selon $[P]=kt$.

• La théorie de l’action enzymatique a été proposée par Leonor Michaelis et Maud Menten en 1913.

• Lorsque la concentration en substrat est très supérieure à celle de l’enzyme, la concentration du complexe ES est considérée constante.

📐 Formule - Quand l’étape ES → E + P est très lente devant la formation de ES, $K_s=\frac{k_{-1}}{k_1}$ et le Km est égal au Ks.

📖 5. Représentation de Lineweaver-Burk

★ À maîtriser

📐 Formule - La représentation de Lineweaver-Burk transforme l’équation de Michaelis-Menten en $\frac{1}{V_0}=\frac{K_m}{V_{\max}}\frac{1}{[S]}+\frac{1}{V_{\max}}$.

Compléments

• Dans la représentation de Lineweaver-Burk, la pente vaut $K_m/V_{\max}$ et l’ordonnée à l’origine vaut $1/V_{\max}$.

📖 6. Unités d’activité enzymatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité internationale : La quantité d’enzyme qui catalyse la transformation d’une micromole de substrat par minute dans des conditions déterminées.
• Katal : La quantité d’enzyme qui catalyse la transformation d’une mole de substrat par seconde.

📝 Points essentiels

• Une UI correspond à 16,6 nanokatals.

📖 7. Cinétique des réactions à deux substrats

★ À maîtriser

📌 Les réactions enzymatiques à deux substrats comprennent les réactions séquentielles Bi-Bi et les réactions Ping-Pong.

• Dans une réaction Ping-Pong, l’enzyme fixe A, libère P sous une forme modifiée F, puis fixe B et libère Q en régénérant E.

Compléments

• L’hexokinase catalyse la réaction ATP + glucose → ADP + glucose-6-phosphate.

• Dans une réaction séquentielle aléatoire, les substrats A et B peuvent se fixer à l’enzyme dans n’importe quel ordre.

• Dans une réaction séquentielle ordonnée, A se fixe avant B et les produits sont libérés selon un ordre déterminé.

💡 Astuce mémo

Séquentielle : les substrats se rencontrent sur l’enzyme ; Ping-Pong : l’enzyme passe par une forme intermédiaire.

📖 8. Inhibitions enzymatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Inhibiteur enzymatique : Un ligand qui peut altérer l’activité d’une enzyme.

★ À maîtriser

📌 Un inhibiteur compétitif se fixe sur le site actif et concurrence le substrat pour l’enzyme, tandis qu’un inhibiteur incompétitif se fixe uniquement au complexe ES.

📐 Formule - En inhibition compétitive, $V_0=\frac{V_{\max}[S]}{\alpha K_m+[S]}$, avec $\alpha=1+[I]/K_i$ et $K_m'=\alpha K_m$.

📐 Formule - En inhibition incompétitive, $V_0=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+\alpha'[S]}$, avec $\alpha'=1+[I]/K_i'$, $V_{\max}'=V_{\max}/\alpha'$ et $K_m'=K_m/\alpha'$.

📐 Formule - En inhibition mixte, $V_0=\frac{V_{\max}[S]}{\alpha K_m+\alpha'[S]}$, avec $\alpha=1+[I]/K_i$ et $\alpha'=1+[I]/K_i'$.

Compléments

📌 Les inhibiteurs enzymatiques peuvent être réversibles ou irréversibles.

📐 Formule - Pour un inhibiteur réversible, la constante d’inhibition vérifie $K_i=\frac{[E][I]}{[EI]}$.

📌 Quand la concentration en substrat augmente, l’équilibre de l’inhibition compétitive se déplace vers la formation de ES.

📌 L’inhibition non compétitive est un cas particulier de l’inhibition mixte où $K_i=K_i'$ et l’inhibiteur se fixe sur un site distinct de celui du substrat.

• En inhibition non compétitive, $V_{\max}'=V_{\max}/\alpha$ et $K_m'=K_m$.

💡 Astuce mémo

Compétitif : I vise E ; incompétitif : I vise ES.

📖 9. Effet du pH sur l’activité enzymatique

📝 Points essentiels

• Les graphiques d’effet du pH présentent l’activité en fonction du pH pour la pepsine et la glucose-6-phosphatase.

📖 10. Propriétés des enzymes allostériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Allostérie : La régulation d’enzymes par des effecteurs.

★ À maîtriser

• Les protéines allostériques sont des oligomères constitués de protomères en interaction et présentant plusieurs états conformationnels en équilibre.

📌 La forme R possède une forte affinité pour le substrat, tandis que la forme T possède une faible affinité.

Compléments

📌 Un effet homotrope est produit par le substrat, tandis qu’un effet hétérotrope est produit par un effecteur.

📌 Dans le modèle concerté, un inhibiteur allostérique stabilise l’état T et un activateur allostérique stabilise l’état R.

• La thréonine désaminase catalyse l’oxydation de la thréonine en oxybutyrate.

💡 Astuce mémo

R = forte affinité ; T = faible affinité.

📖 11. Coopérativité et équation de Hill

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient de Hill : n mesure le degré de coopérativité et d’interaction entre les sites, mais pas leur nombre.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’équation de Hill s’écrit $\log\left(\frac{V}{V_m-V}\right)=n\log[S]-\log K$.

Compléments

• Lorsque n=1, l’enzyme est michaelienne et la constante de Hill Kh est égale à Km.

• Un coefficient de Hill supérieur à 1 indique un effet coopératif positif, tandis qu’un coefficient inférieur à 1 indique un effet coopératif négatif.

📖 12. Nombre de sites et équation de Scatchard

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour plusieurs sites de liaison, l’équation de Scatchard s’écrit $\frac{[EL]}{[L]}=\frac{n[E]}{K_d}-\frac{[EL]}{K_d}$.

Compléments

• Dans l’équation de Scatchard, n[E] est la concentration totale de sites, [EL] la concentration de sites occupés ou de ligand lié, et [L] la concentration de ligand libre.

📖 13. Mécanismes de catalyse enzymatique

★ À maîtriser

• Les mécanismes de catalyse présentés sont :
  • La catalyse acido-basique
  • La catalyse covalente
  • La catalyse par ion métallique
  • La catalyse électrostatique
  • La catalyse par effet d’orientation et de proximité
  • La catalyse par liaison préférentielle à l’état de transition

Compléments

• Une même enzyme peut utiliser plusieurs mécanismes de catalyse.

📌 On distingue les métalloenzymes des enzymes activées par les métaux.

• 🔄 La catalyse covalente se déroule en trois étapes :
  1. Attaque nucléophile du substrat
  2. Phase électrophile ou catalyse électrophile
  3. Élimination du catalyseur

📊 Tableaux de synthèse

Effets apparents des inhibitions