Les enzymes, des agents de l’expression de l’information génétique Cours

Sommaire

IEnzymes et voies métaboliquesIICaractéristiques de la catalyse enzymatiqueALa vitesse de réactionBLa spécificité de la réaction enzymatiqueIIIEnzymes et différenciation cellulaire

 

Notions Rappels
Gène Portion d'ADN qui code pour un caractère.
Métabolisme Ensemble des réactions biochimiques qui caractérisent la vie des cellules.
Molécule Assemblage d'atomes.
Protéine

Ensemble d'acides aminés liés les uns aux autres, et dont la forme détermine l'activité. 

Les protéines interviennent dans toutes les fonctions biologiques.

Reproduction conforme Mode de division permettant de former deux cellules ayant le même patrimoine génétique que la cellule-mère initiale.

 

L'ensemble de la vie cellulaire s'effectue grâce à des réactions biochimiques qui constituent le métabolisme. Les voies métaboliques permettent, en plusieurs étapes, de transformer les molécules pour parfois en tirer de l'énergie. Chacune de ces étapes fait intervenir une enzyme.

I

Enzymes et voies métaboliques

Les enzymes sont des biomolécules, c'est-à-dire des molécules synthétisées par les êtres vivants. Il s'agit plus précisément de protéines, composées de chaînes d'acides aminés, dont la séquence est codée par l'information génétique. 

En simplifiant, il est possible de considérer qu'à une réaction métabolique correspond une enzyme, dont la structure est codée par un gène.

Une enzyme est un catalyseur qui transforme de manière spécifique un substrat (S) en produit (P).

Catalyseur

Un catalyseur est un élément capable d'accélérer une réaction chimique sans être transformé lui-même à la fin de la réaction.

L'enzyme doit fixer le substrat pour pouvoir le transformer. Elle libère ensuite le produit et peut, à nouveau, être disponible pour fixer un autre substrat. Un cycle catalytique est alors défini.

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Le cycle catalytique d'une enzyme

Le cycle catalytique peut s'écrire plus simplement :

E    +    S    ⭢    E-S    ⭢    E    +    P

E = enzyme ; S = substrat de la réaction ; P = produit de la réaction

La lactase est une enzyme présente dans le tube digestif. Elle permet d'hydrolyser (= couper une liaison en utilisant une molécule d'eau) les molécules de lactose présentes dans le lait pour produire du glucose et du galactose.

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Une enzyme : la lactase

Une enzyme est généralement nommée selon sa fonction. Le suffixe « ase » signifie qu'il s'agit d'une enzyme, et ce qui précède indique le substrat sur lequel l'enzyme agit, ainsi que la réaction qu'elle catalyse.

• L'ADN polymérase est une enzyme qui polymérise les nucléotides pour fabriquer de l'ADN (réplication).

• La glycogène synthase est une enzyme des muscles et du foie qui synthétise le glycogène.

II

Caractéristiques de la catalyse enzymatique

A

La vitesse de réaction

Il est possible d'exprimer l'activité d'une enzyme en indiquant sa vitesse de réaction (= la vitesse à laquelle elle travaille). Ceci peut être fait en donnant la quantité de substrat transformé par unité de temps, ou en indiquant la quantité de produit fabriqué par unité de temps.

L'activité d'une enzyme dépend de différents paramètres : le pH, la température et la concentration en substrat.

Le pH et la température

Il existe, pour chaque enzyme, un pH et une température pour lesquels l'activité est maximale. Il s'agit du pH optimal (pHopt) et de la température optimale (Topt) d'activité. Plus le pH et/ou la température sont éloignés de ces valeurs optimales, et moins l'enzyme est active (plus la vitesse est faible).

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Exemple de température optimale d'activité de deux enzymes.

Pour les basses températures, l'enzyme n'est qu'inactivée et de manière réversible, alors que pour les hautes températures, elle est dénaturée, c'est-à-dire détruite de manière irréversible.

La concentration en substrat

Plus la concentration en substrat est grande, plus la vitesse de réaction est importante. La concentration en substrat diminuant au cours du temps, puisque celui-ci est transformé en produit par l'enzyme, il est intéressant d'exprimer l'activité de l'enzyme par l'intermédiaire de la vitesse initiale vinit de réaction, c'est-à-dire au moment où la concentration en substrat est la plus importante et donc où la vitesse est maximale.

Cette vitesse initiale de réaction est la tangente de la courbe ([produit] = f(t)] au temps 0. Elle s'évalue à l'aide d'un graphique.

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Mesure de la vitesse initiale de réaction

B

La spécificité de la réaction enzymatique

L'activité d'une enzyme présente une double spécificité : une spécificité liée au substrat et une spécificité d'action.

 

Spécificité vis-à-vis du substrat

Cette spécificité de substrat peut être très fine, une enzyme pouvant agir sur un isomère d'une molécule, mais pas sur un autre isomère.

Isomères

Deux isomères d'une molécule possèdent la même formule brute, mais n'ont pas la même forme.

Cette spécificité de substrat est la conséquence de la fixation obligatoire du substrat sur l'enzyme, sur un site particulier (le site de fixation) dans lequel le substrat doit s'emboîter, comme une clé s'emboîte dans une serrure.

Une autre conséquence de cette fixation est qu'une enzyme ne peut travailler que sur un substrat à la fois. Il existe une concentration en substrat pour laquelle la vitesse de réaction ne peut plus augmenter. C'est la vitesse maximale de réaction de l'enzyme.

Les sucs digestifs contiennent des enzymes responsables de réactions d'hydrolyse. Mais une enzyme glucidolytique (pouvant digérer les glucides tels que l'amidon) ne pourra pas digérer les protéines. Inversement, une enzyme protéolytique (capable de digérer les protéines) sera incapable de digérer l'amidon.

Spécificité d'action

Une enzyme ne peut pas effectuer n'importe quelle réaction sur son substrat. Une enzyme peut être une hydrolase (elle réalise des réactions d'hydrolyse), une oxydoréductase (elle transfère des électrons d'une molécule à une autre), etc.

Il existe six grandes catégories d'enzymes.

• Les oxydoréductases, qui assurent les réactions d'oxydoréduction.

• Les transférases, qui assurent le transfert d'un groupement fonctionnel d'une molécule à une autre.

• Les hydrolases, qui catalysent l'hydrolyse de liaisons chimiques au sein des molécules.

• Les lyases, qui catalysent la rupture des liaisons chimiques.

• Les isomérases, qui assurent des réarrangements de groupes fonctionnels des molécules.

• Les ligases, qui permettent d'établir de nouvelles liaisons chimiques.

III

Enzymes et différenciation cellulaire

Les cellules d'un organisme proviennent de la multiplication d'une unique cellule (la cellule-œuf) par des processus de reproduction conforme. 

Toutes les cellules (à l'exception des cellules reproductrices) d'un organisme présentent donc la même information génétique, autrement dit les mêmes molécules d'ADN et les mêmes gènes.

Mais toutes les cellules n'accomplissent pas les mêmes tâches et n'effectuent pas les mêmes réactions : c'est la différenciation ou spécialisation cellulaire.

Cellule différenciée

Une cellule différenciée possède les mêmes gènes que les autres cellules, mais n'utilise pas l'ensemble de ses gènes.

Sur l'ensemble des enzymes pouvant être fabriquée par un organisme, seule une partie est fabriquée par chaque cellule, ce qui confère à celle-ci une activité particulière.

De plus, les enzymes fabriquées par une même cellule varient au cours de la vie de l'organisme. L'équipement en enzymes d'un organisme change donc au cours du temps et des conditions de l'environnement dans lequel l'organisme vit.

Chaque cellule a un équipement enzymatique différent des autres cellules : son profil d'expression est différent.

Profil d'expression

Le profil d'expression d'une cellule correspond à l'ensemble des protéines qu'elle fabrique à un moment donné de sa vie.

La tolérance au lactose

La lactase est une enzyme codée par un gène situé sur les chromosomes n° 2 humains. Ce gène est présent dans toutes les cellules, mais l'enzyme n'est fabriquée que dans les cellules de l'intestin grêle (et très faiblement dans le côlon). De plus, chez les mammifères, elle n'est fabriquée que lors de la période durant laquelle le jeune est nourri par le lait maternel, et elle disparaît ensuite, après le sevrage (alors que le gène est toujours présent). Chez l'homme, elle reste présente chez l'adulte dans environ 25 % des cas, cela variant selon la population d'origine. Les 75 % d'individus chez lesquels la lactase n'est plus produite à l'état adulte sont intolérants au lactose.

Ainsi, les cellules intestinales fabriquent cette enzyme alors que les cellules du foie ne la fabriquent pas. Et les cellules intestinales chez la majorité des adultes ne la fabriquent plus, alors que leurs cellules intestinales les fabriquaient, dans la majorité des cas, lorsqu'ils étaient enfants.