Enzymes. Structure, Groupes et classes (Introduction)
إنزيمات. تقديم
Les enzymes, catalyseurs biologiques (الإنزيمات، 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'.
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 'catalyse biologique - الإنزيمات، محفزات بيولوجية'
Ce cours est hébergé, aussi, sur la plateforme MOOC de l'Université Cadi Ayyad, Marrakech, Maroc (Enzymologie approfondie).
LIENS UTILES
Définition
تعريف الإنزيمات
| French
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English
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Arabic
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Enzyme
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Enzyme
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إنزيم
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| site actif
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Active site |
موقع نشيط
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| Purification de l'enzyme |
Enzyme purification |
تنقية الإنزيم
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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 dernières 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.
Structure des enzymes.
Selon leur structure, les enzymes sont divisées en deux groupes :
- Enzy. simples formées uniquement à partir d’acides aminés une (protéine), comme de nombreuses enzymes d’hydrolyse. Ces apoenzymes (parties protéiques de l'enzyme) peuvent agir isolément, et n’ont pas besoin de substance adjuvante pour être des holoenzymes actives.
- Enzy. mixtes ou complexes, composées d'une partie protéique et de parties supplémentaires non protéiques appelées 'groupe prosthétique' ou 'coenzyme', tandis que la partie protéique (apoenzyme).
Cofacteurs
Plusieurs enzymes requièrent de petits constituants non protéiques, appelés cofacteurs, pour leur activité. les cofacteurs incluent également des ions métalliques inorganiques. Ils se lient à l'apoenzyme pour former l'holoenzyme active.
Un cofacteur est un composé chimique non protéique (molécules organiques) ou un ion métallique, nécessaire à l'activité biologique d'une protéine, thermostable et de faible masse moléculaire, nécessaire à l'action d'une enzyme. Le cofacteur se lie à une structure protéique, appelée apoenzyme, et le complexe apoenzyme-cofacteur est appelé holoenzyme.
Cofacteurs : Terme générique pour tout composant non protéique (ions métalliques comme Mg2+), Zn2+), ou molécules organiques).
Coenzymes : Cofacteurs organiques (souvent dérivés de vitamines (B, notamment)) et de ribonucléotides modifiés tels que la nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) et la flavine adénine dinucléotide (FAD).
Lorsqu’il est libre, le coenzyme (considé comme un cosubstrat) s'associe au moment de la catalyse à l'apoenzymes pour former le complexe fonctionnel apoenzyme-coenzyme appelé Holoenzyme. Dans ce cas ces coenzymes prennent le nom de coenzymes vrais ou coenzymes Cosubstrat.
D’autres enzymes comportent dans leur structure un coenzyme intimement lié à l’apoenzymes par une liaison covalente. Le coenzyme est alors appelé groupement prosthétique de l’enzymes et a un rôle activateur.
Les coenzymes fixes peuvent intervenir pour:
- transporter ou compléter un substrat.
- accepter un produit.
- participer à la structure de l’enzyme.
Finalement, il existe des enzymes qui sont synthétisées sous une forme inactives et demandent à être activées par protéolyse partielle. Ces enzymes sont des zymogènes.
En cas de chauffage élevé de l'enzyme, la partie protéique est affectée tandis que les cofacteurs restent inchangés.
Comme exemple d'enzy. complexes, citons les peroxydases, qui oxydent de nombreuses substances en présence de peroxyde d'hydrogène (H2O2). Les peroxydases sont constituées d'une partie protéique et d'un groupe non prostéique qui comprent un atome de fer (Fe) et appelé Hème.
Les Cofacteurs métalliques sont des ions minéraux qui sont indispensable à l’activité enzymatique :
- Soit parce qu’ils sont responsables de la stabilité de la structure tertiaire de l’apoenzyme.
- Soit parce qu’ils interviennent dans la fixation du substrat.
- Soit parce qu’ils participent directement à la catalyse.
Coenzymes
Les coenzymes sont des molécules organiques, non protéique, associée à l’apoenzyme qui sont indispensables à la réaction en permettant soit le transport d’un groupement du substrat, soit en participant à la structure de l’enzyme ou directement à la réaction de catalyse, par exemple :
- Coenzymes comme substrats particuliers (Co substrats) comme des coenzymes redox (NAD, FAD, groupements héminiques…), l'ATP…
- Coenzymes comme activateurs de substrats (coenzyme A, biotine…).
- Coenzymes comme partie du site actif catalytique (thiamine pyrophosphate, pyridoxal-phosphate…).
Le coenzyme n’est pas consommé lors de la réaction.
Les coenzymes, étant généralement des vitamines (vitamines B, vitamine C, vitamine D, par exemple), une carence en ces vitamines dans un provoque une insuffisance en enzymes, d'où un manque de réactions essentielles.
Les vitamines B hydrosolubles fournissent des composants essentiels de nombreux coenzymes, la nicotinamide est un constituant des coenzymes rédox NAD et NADP , tandis que la riboflavine( vitamine B2) est un constituant des coenzymes rédox FMN et FAD. L’acide pantothénique (vitamine B5) est un constituant du coenzymes A, transporteur de groupes acyle et le pyridoxal (vitamine B6) est le cofacteur des transaminases et des décarboxylases.
Par exemple les déshydrogénases utilisent soit le coenzyme Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD+), soit le Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate (NADP+). Ce sont les plus importantes des coenzymes.
La fonction de la coenzyme est d’accepter deux électrons et un ion d’hydrogène du substrat, Lequel devient ainsi oxydé :
Substrat + NAD+ + Enzyme -- donne -- Substrat oxydé + NADH + H+
Les deux électrons du NADH peuvent être transférés à une seconde molécule, laquelle deviendra réduite (gain d’électrons).
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. On peut citer : le phosphate de pyridoxal, la flavine mononucléotide (FMN), la flavine adénine dinucléotide (FAD), le pyrophosphate de thiamine et la biotine.
Exemples:
Le couple FAD/FADH2 fournit un bon exemple de cofacteur organique d'enzyme groupement prosthétique. Le FAD, un groupement prosthétique est lié de façon covalente à l’apoenzyme. Son cycle passe par les 2 états redox FAD (état oxydé) et FADH2 (état réduit).
Soit la redox BH2 + A === B + AH2 catalysée par une oxydoréductase à dinucléotide d’adénine flavine (FAD), qui est lié de Manière non-covalente à l’apoenzyme.
Enzyme(FAD) + BH2 === Enzyme(FADH2) +B
Enzyme(FADH2) + A === Enzyme(FAD) + AH2.
Coenzyme mobile (libre) ou cosubstrat
Le Co substrat, capable de se fixer réversiblement au site actif de l’enzyme, l’exemple le plus représentant est fourni par les dérivé du nicotinamide (NAD et NADP) qui entrent dans les réaction d’oxydoréduction du métabolisme des glucide et lipides, il permet le transfert d’hydrogène et d'électron d’un substrat, qui sera oxydé à un autre qui sera réduit.
AH2 + NAD+ --- A + NADH + H+
NADH + H+ + B --- NAD+ + BH2
Par conséquent, NAD + est capable de transférer des électrons du premier substrat (qui devient oxydé) au second (qui devient réduit).
Les ions métalliques sont les groupes prosthétiques les plus fréquents.
- Un tiers environ des enzymes contient des ions métalliques de Fe (cytochromeoxydase, catalase, péroxydase).
- Cu (cytochrome oxydase , super oxyde dismutase).
Mg (hexokinase, glucose 6 phosphatase, pyruvate kinase)
- Mn (Arginase).
Ni (uréase).
Se (glutahion péroxydase).
Mo (nitrate réductase).
- Zn (ADN polymérase, anhydrase carbonique, alcool déshydrogénase, Anhydrase carbonique, Carboxypeptidases, phosphatase alcaline).
Les ions métalliques étant fortement associés à l'apoenzyme, on les appelle des métallo-enzymes.
Les ions métalliques participent au procesus catalytique selon trois modalités principales, dont :
- Liaison aux substrats de sorte à les orienter correctement pour la réaction.
- Participation à des réactions d’oxydo-réduction par des changements réversibles de l’état d’oxydation de l’ion métallique.
- Stabilisation électro-statiquement ou en masquant des charges négatives.
Spécificité des enzymes
La spécificité de l’enzyme pour son substrat est l’une des caractéristiques de la catalyse Enzymatique. Généralement, le site de liaison d’un substrat correspond à une poche à la surface de la molécule d’enzyme dont la forme est complémentaire à celle du substrat (complémentarité géométrique). De plus, les résidus d’acide aminé qui constituent le site de liaison sont disposés afin d’interagir spécifiquement avec le substrat pour l’attirer (complémentarité électronique). Les molécules qui diffèrent du substrat par la forme ou la distribution de leurs groupements fonctionnels ne peuvent se lier à l’enzyme efficacement : autrement dit, elles ne peuvent former de complexe enzyme–substrat (ES) qui conduit à la formation de produits.
La spécificité de substrat est variable : certains enzymes ont une spécificité absolue, transforment un substrat en un produit unique, d’autres ont une spécificité plus large, transforment les substrats d'une classe de substrats en autant de produits. Par exemples:
- la glucokinase ne phosphoryle que le glucose, tandis que l’hexokinase phosphoryle divers hexoses, dont le glucose.
- l’alcool déshydrogénase catalyse la déshydrogénation de l’éthanol mais aussi d’autres alcools.
Quant à la spécificité d’action, elle est invariable : un enzyme, une seule réaction catalysée. Par exemple, les kinases ne catalysent que des réactions de phosphorylation en présence d’ATP. La spécificité enzymatique est due à un complément moléculaire entre le substrat et une région particulière de l’enzyme appelé, le site actif.
Question 1.
Qu'est-ce qu'une apoenzyme ?:
(!Un synonyme de coenzyme.)(!Une enzyme dont le groupement prosthétique a été retiré.)(!Une enzyme liée à son cofacteur.)(La partie protéique inactive de l'enzyme.)
Question 2.
Quelle est la différence principale entre un coenzyme et un groupement prosthétique ?:
(! Les coenzymes sont des protéines, les groupements prosthétiques ne le sont pas.)(Le groupement prosthétique est lié fortement, parfois de façon covalente, à l'enzyme.)(!Le groupement prosthétique est lié de façon faible et temporaire.)(!Le coenzyme est toujours un ion métallique.)
Question 3.
Parmi ces molécules, laquelle est un exemple de coenzyme ?
( NAD+ , Nicotinamide Adénine Dinucléotide.)(!Le groupe Hème de l'hémoglobine.)(!Le Fer, Fe2+ dans la catalase.)(!Le Zinc, Zn2+ dans l'anhydrase carbonique.)
Question 4.
Les cofacteurs sont obligatoirement de nature organique:
(Faux)(!Vrai)
Question 5.
Un groupement prosthétique est régénéré à chaque cycle enzymatique.:
(Vrai)(!Faux)
Question 6.
Un cofacteur fortement lié à l'apoenzyme et qui ne peut être séparé sans dénaturer cette dernière est appelé :
(Groupe prosthétique)(!Coenzyme)(!Apoenzyme)(!Cosubstrat)
Question 7.
Le magnésium (Mg2+) est un cofacteur nécessaire à l'activation de :
(La kinase)(!La ligase)(!La déshydrogénase)(!L'oxydase)
Question 8.
Quelle structure de l'enzyme détermine la spécificité de substrat ? :
(Le site actif)(!Le site allostérique)(!La structure primaire)(!Le coenzyme)
Question 9.
La spécificité de fonction (ou d'action) signifie qu'une enzyme:
(Ne catalyse qu'un seul type de réaction chimique.)(!Peut catalyser toutes les réactions de la cellule.)(!Change de fonction selon la température)(!Ne fonctionne que sur un seul substrat)
Question 10.
Qu'est-ce que la spécificité de substrat ? :
(L'enzyme reconnaît et se lie à un seul type de molécule)(!L'enzyme fonctionne uniquement à pH neutre.)(!L'enzyme transforme le produit en substrat.)(!L'enzyme accélère toutes les réactions.)
