Biochimie (enzymes)
Enzymes et catalyse biologique - الأنزيمات، محفزات بيولوجية

Les enzymes, catalyseurs biologiques (الأنزيمات، محفزات بيولوجية), sont essentielles pour la vie. Connaître comment une enzyme assure la catalyse renvoie à l'élucidation de son mécanisme qui implique le contact du substrat avec l'enzyme à travers les acides aminés du 'site actif'.

indication

Le suivi de la catalyse homogène permet d'élucider en détail le comportement de l'enzyme et déterminer les paramètres cinétiques correspondants. Les applications des enzymes sont tributaires de la mise au point de thechniques de purification adéquates. -- Vidéo 'Enzymes et catalyse biologique - الأنزيمات، محفزات بيولوجية'


Ce cours est hébergé, aussi, sur la plateforme MOOC de l'Université Cadi Ayyad, Marrakech, Maroc (Enzymologie approfondie).

Enzymes. Définitions

Les enzymes sont des protéines (Matériaux-protéines) qui assurent la catalyse biologique. Elles accélèrent les réactions métaboliques d'un organisme vivant.

Une enzyme est une protéine qui transforme des substrats en des produits (acte de catalyse) dans un temps déterminé.

Avant d'aborder la fonction d'une enzyme (catalyse biologique), il est recommandé de faire une idée sur les structures qui sont derière cette fonction. Il s'agit en premier lieu du site actif (site catalytique).

Le comportement cinétique (transformation des substrats en fonction du temps) peut différer d'une enzyme à l'autre. En plus, les modulateurs de l'activité enzymatiques sont à considérer. Ils peuvent agir comme inhibiteurs ou activateurs. La compréhension des des interactions enzyme-modulateurs permet de bien assimiler les mécanismes des réactions enzymatiques à deux substrats. Certaines enzymes présentent des particularités structurale et fonctionnelles. En effet, en plus d'un site actifs, ces enzymes possèdent un site régulateur. Ces enzymes intervenant dans la régulation des chaînes métaboliques sont qualifiées d'enzymes allostériques. Ces aspects sont résumés dans le SOMMAIRE.

Il y'a au moins une enzyme différente par réaction catalysée, ce qui représente des milliers d'enzymes par organisme.

Les enzymes sont réparties sur des organites cellulaires différents et peuvent, ainsi, être qualifiées de "enzymes marqueurs".

On distingue:

* Enzymes extracellulaires (ou exoenzymes) : elles sont synthétisées à l'intérieur de la cellule, puis sécrétées dans l'espace extracellulaire.

* Enzymes intracellulaires : elles sont synthétisées et utilisées entièrement à l'intérieur de la cellule où elles sont généralement liées à des particules subcellulaires ou membranes intracellulaires rendant leur extraction plus difficile.

L'extraction et la purification des enzymes restent liées aux techniques de séparation utilisées. Ainsi, dans une dizaine d'années environ et grâce à la chromatographie d'affinité, le nombre d'enzymes isolées est passé de 1300 en 1968 à plus de 3000 enzymes en 1992 et continu d'augmenter (voir Tableau évolutif).

Enzymes. Impacts des techniques de séparation sur la purification et la caractérisation

Enzyme catalyse biologique

1833  (Payen & Persoz): Précipitation par l'alcool. Première préparation enzymatique (extrait acqueux d'orge germé).

1923 (Svedberg & Nichols) Première ultracentrifugation analytique

1926  (Sumner) Cristallisation de l'uréase et établissement de la nature protéique des enzymes.
1930
  Environ 80 enzymes sont isolées

1935  (Adams & Holms) Introduction des résines échangeuses d'ions dans les procédés de purification.

1938-1941  (Zechmeister & Brockman) Utilisation de la chromatographie d'adsorption.

Enzymes. enzyme purification

1947 Début des techniques de filtration sur gel de Sephadexet électrophorèse. Plus de 200 enzymes isolées.

1968  Filtration sur gel de Sephadex et électrophorèse. Plus de  1300 enzymes isolées.
1980
Chromatographie d'affinité. Plus de 2000 enzymes purifiées.

1992 : 3196 enzymes purifiées (Weeb, 1992 : EC enzyme nomenclature : recommandations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology, San Diego, Ca, Academic Press.


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Protéines et Enzymes, Baaziz 2013

أظهرت الأبحاث البيوكيميائية أن المعرفة الدقيقة لجزيئات الكائنات الحية مرهونة بتطور تقنيات العزل و التحليل للجزيئات. مثلا، على صعيد استخلاص، فرز و تحليل الأنزيمات، انتقل عددها مند أواسط القرن التاسع عشر حتى الآن بوتيرة مرتفعة تماشيا مع تطور تقنيات الفرز و التحليل. في 1833 تم القيام بالترسيب الكحولي (Précipitation alcoolique) لأنزيمات الشعير في طور الإنبات. في 1923 ظهرت آليات الطرد المركزي الفائقة السرعة (Ultracentrifugeuses) كما تم إدخال تقنيات كروماتوغرافيا التبادل الأيوني (Chromatographie d'échange d'ions) مند سنة 1935. استعمال تقنيات الكروماتوغرافيا (Chromatographie) و التهجير الكهربائي أو الكهروتهجير (électrophorèse) في الفترة 1947 إلى 1968، جعل عدد الأنزيمات المستخلصة النقية يرتفع إلى 1300. مع إضافة كروماتوغرافية التجادب الشكلي (Chromatographie d'affinité) كتقنية للفرز ابتداءا من 1980، فاق عدد الأنزيمات النقية المستخلصة، 3196.



Implication des enzymes dans la régulation métabolique

La régulation du métabolisme passe par la modulation des activités enzymatiques de différents types. Cinq types de régulations enzymatiques sont à considérer, dont la régulation à travers les enzymes allostériques, la régulation par les isoenzymes, ....


Enzymes. Applications

عرف التحفيز البيولوجي عبر الأنزيمات العديد من التطبيقات المهمة في مختلف المجالات مما انعكس عنه النمو الإقتصادي و المحافظة عن البيئة و صحة المجتمعات. يستغل الإنسان الأنزيمات التي تحتوي عليها الكائنات الحية الدقيقة كالبكتريا و الفطريات لاستعمالها في تطبيقات نفعية للأنسان و كمثل يجدر ذكره استعمال الأنزيمات في مجالات البيوتكنولوجيات البيضاء (الكائنات الحية لإنتاج مواد كميائية مطلوبة) و الصفراء أو بيوتكنولوجيات البيئة تستعمل الأنزيمات في مجالات الكشف السريع و الدقيق. كمثل بسيط نذكر هنا تقنية الكشف عن تحلون الدم و قياس تركيز سكر الجليكوز. يتم ذلك من خلال استعمال أنزيم نزع الهيدروجين من الجليكوز و التقاطه من طرف الفيريسيانيد الذي يختزل ويتغير لونه بالتوازي مع وفرة مادة الأساس للأنزيم أي الجليكوز

Enzymes des bioconversions

Les enzymes interviennent dans les bioconversions qui font partie des biotechnologies blanches (white biotechnology) visant les productions industrielles. Parmi les applications commeriales des enzymes, on peut citer les productions de lessives ou détergents. Les marques de lessive les plus performantes combinent protéases, lipases, amylases et cellulases pour augmenter l'efficacité du lavage. Chacune de ces enzymes est capable d'attaquer un type particulier de tache ou de salissure. Un autre exemple d'application des enzymes concerne la fabrication de sirop de fructose à partir d'amidon provenant du maïs et où l'amylase et la glucose isomérase jouent un grand rôle. Parmi les avantages des enzymes, les taux réactionnels élevés, une fois comparés à ceux des réactions non catalysées (les enzymes sont 10 puisance 10 fois plus rapides).

Parmi les inconvéniens des enzymes, on note le coût élevé, solubilité limitée dans les solvants, dépendance aux cofacteurs et coenzymes, spécificité trop élevée et instabilité. L'utilisation des enzymes immobilisées tend à éliminer certains désavantages d'application.

enzymes immobilisees. Enzyme purification

L'un des avantages des enzymes immobilisées réside dans leur réutilisation plusieurs fois.

Applications des enzymes dans les analyses médicaux. Exemple d'évaluation du niveau du glucose dans le sang pour tester le diabète.

La glycémie peut être testée par une réaction enzymatique. Cependant, les enzymes échangent rarement les électrons avec des électrodes. De ce fait, il est nécessaire d'utiliser un médiateur (Mediator) qui passe d'un état oxydé à un état réduit par des protons enlevé d'un autre réducteur, le glucose du sang. Plus il y'a de médiateur réduit (intensité de sa coloration), plus il y'a du glucose.

La réaction enzymatique peut être catalysée dans les conditions optimales par une enzyme comme la glucose déshydrogénase en présence d'un médiateur; le ferricyanide de potassium qui sera réduit en ferrocyanide de potassium par les protons H+ provenant du glucose du sang.

Glucose dehydrogenase


- Que pensez-vous du résultat du test de la glycémie pour un individu qui prend de la vitamine C (acide ascorbique) dont la structure est proche de celle du glucose (voir igure)?

كيف ستكون نتيجة الكشف عن تحلون الدم عند شخص يأخد فيتامين  C -الحمض الأسقربوطي ؟

Link: Electrochemistry for Diabetes Management

The mechanism of ascorbic acid interference on glucose measurements with electrochemical strips is that ascorbic acid is oxidized at the electrode surface, resulting in the production of more electrons and the generation of more current.

Avertissement. Lorsqu'on utilise un système de lecture de la gltcémie basé sur la glucose oxydase (gluc + O2 --> Acide gluconique + H2O2), l'acide ascorbique (vitamine C) donne un effet inverse de celui obtenu avec le système de la glucose déshydrogénase. Ainsi, avec le système glucose oxydase la vitamine C fait diminuer les résultats des tests de glycémie. En effet, en réduisant le peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée, H2O2), l'acide ascorbique réduit le taux de H2O2 utilisé dans le système, d'où diminution des valeurs des lectures.

- Aussi le paracétamol (acétaminophène), étant réducteur, il fait augmenter les valeurs des lectures de la glycémie suite à son oxydation...

The acetaminophen is directly oxidized, producing an interfering current that increases the glucose reading. The oxidation by acetaminophen is thought to be related to its free phenolic hydroxyl group.

Paracétamol (acétaminophène)

Vidéos

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