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Problèmes :

Quelles sont les propriétés des enzymes qui expliquent leur omniprésence

dans les réactions chimiques des organismes vivants ?

Comment l’activité des enzymes contribue-t-elle à la réalisation du

phénotype ?

1 – Comparaison d’une catalyse chimique et d’une catalyse biologique

2 – Les propriétés des enzymes

Problème : Sachant qu’un catalyseur chimique agit à des températures et des

doses élevées, comment expliquer que les enzymes soient aussi efficaces, à des

températures et des doses aussi faibles ? Comment expliquer la spécificité de

substrat et de réaction d’une enzyme ?

1 – La vitesse d’une réaction enzymatique

2 – L’action et la vitesse enzymatique dépendent de la formation d’un complexe

enzyme-substrat

Problème : Sachant que l’action d’une enzyme nécessite la formation du

complexe enzyme-substrat, comment expliquer qu’une enzyme puisse fixer de

façon aussi précise et spécifique un substrat ?

1 – Enzyme et site actif

2 – L’influence des facteurs du milieu sur l’activité enzymatique

3 – Activité enzymatique et phénotype

Conclusion

Cours : Les enzymes, des protéines actives dans le fonctionnement

cellulaire

A – Les propriétés des enzymes : Des biocatalyseurs

B – Les enzymes des biocatalyseurs puissants et rapides

C – Spécificité d’action d’une enzyme et conformation dans l’espace

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Les protéines sont les molécules responsables des phénotypes moléculaires. Elles

sont l’expression du programme génétique.

Parmi la grande diversité des protéines d’un organisme, les enzymes sont des

protéines qui jouent des rôles importants dans le fonctionnement cellulaire et donc

au niveau du phénotype cellulaire.

Le fonctionnement des organismes met en jeu des réactions chimiques très

nombreuses et très variées qui ont lieu dans des conditions limitées de température,

de temps, de PH, c’est à dire dans des conditions de vie cellulaire.

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques ou biocatalyseurs qui réalisent

toutes les réactions chimiques nécessaires à la vie cellulaire. Elles participent

activement au phénotype cellulaire.

Problèmes :

Quelles sont les propriétés des enzymes qui expliquent leur omniprésence

dans les réactions chimiques des organismes vivants ?

Comment l’activité des enzymes contribue-t-elle à la réalisation du

phénotype ?

A – Les propriétés des enzymes : Des biocatalyseurs

1 – Comparaison d’une catalyse chimique et d’une catalyse biologique

Une catalyse correspond à l’accélération d’une réaction chimique par la présence

d’une substance, le catalyseur, qui reste inchangé à la fin de la réaction.

Le TP n°3 nous a permis de tester l’efficacité de 2 catalyseurs biologiques

(biocatalyseurs) qui sont des enzymes (protéines) :

Le filtrat de blé germé contient des enzymes qui rendent possible l’hydrolyse

de l’amidon en dextrines puis en glucose à 37 °C et en 15 à 20 minutes. (le tube

n°1 témoin prouve que cette réaction est impossible voir très lente en absence

d’enzymes). L’enzyme présente dans le filtrat est appelée une hydrolase et

elle agit sur l’amidon que l’on nomme substrat de l’enzyme.

Le filtrat de pomme de terre contient des enzymes qui rendent possible la

synthèse de l’amidon à partir de sucres simples, le glucose à 37 °C en 8

Cours : Les enzymes, des protéines actives dans le fonctionnement

cellulaire

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minutes. L’enzyme présente dans le filtrat est une synthétase et elle agit sur

le glucose que l’on nomme le substrat de l’enzyme.

Les enzymes sont des molécules clés du fonctionnement cellulaire elles assurent

les réactions chimiques de dégradation (catabolisme) comme les réactions de

synthèse (anabolisme) nécessaires à la vie d’une cellule.

L’hydrolyse de l’amidon est possible en utilisant un catalyseur chimique comme l’acide

chlorhydrique.

Cette hydrolyse est très différente, de l’hydrolyse enzymatique :

L’hydrolyse est – rapide

L’hydrolyse demande une concentration élevée d’HCL

L’hydrolyse se réalise à une température extrême de 100 °C, un PH très acide

(2), conditions incompatibles avec la vie cellulaire.

Conclusion : Les enzymes sont des biocatalyseurs qui rendent possible des

réactions chimiques qui seraient en leur absence impossibles. Les enzymes

agissent à faible concentration dans des conditions de pH, de températures

compatibles avec la vie cellulaire.

Remarque : Les enzymes sont des protéines, conséquence toutes les réactions

chimiques de la cellule dépendent directement de l’équipement génétique de la

cellule.

2 – Les propriétés des enzymes

L’activité des enzymes est sensible aux variations de température, une

augmentation de la température fait perdre sa fonction à l’enzyme.

La vitesse d’action des enzymes est fonction de la concentration

enzymatique. Plus la concentration en enzymes est importante et plus la

vitesse de la réaction semble élevée.

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2 autres propriétés sont à retenir :

Une enzyme à une spécificité de substrat. Elle agit et transforme un seul

type de substrat. Exemple, l’enzyme des grains de blé est spécifique de

l’amidon, on la nomme aussi cette enzyme une amylase. L’enzyme de la pomme

de terre est spécifique du glucose 1P, on parle de glucose 1 phosphatase.

Une enzyme à une spécificité d’action. Elle catalyse un seul type de réaction.

Exemple, l’enzyme du blé ne fait que l’hydrolyse de l’amidon, on parle

d’hydrolase. L’enzyme de la pomme de terre ne fait que la synthèse de

l’amidon, on parle de synthétase.

Problème : Sachant qu’un catalyseur chimique agit à des températures et des

doses élevées, comment expliquer que les enzymes soient aussi efficaces, à des

températures et des doses aussi faibles ? Comment expliquer la spécificité de

substrat et de réaction d’une enzyme ?

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B – Les enzymes des biocatalyseurs puissants et rapides

1 – La vitesse d’une réaction enzymatique

La réaction enzymatique est une dégradation de l’eau oxygénée H2O2, le substrat en O2

et H2O les produits grâce à une catalase; l’enzyme.

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Le logiciel nous permet de suivre en direct grâce à une sonde la quantité de produit (O2)

formé par unité de temps. La concentration en enzyme est constante.

On obtient donc pour chaque concentration de substrat une courbe P = f(t)

Pour une concentration en substrat faible on observe une augmentation de produit

formé en µmol/l faible qui traduit une activité de l’enzyme qui dégrade H2O2 et libère

de l’O2.

Pour une concentration supérieure en substrat (0.05v), on observe une augmentation

de la concentration en produit pour une durée d’action de l’enzyme identique de 3

minutes. Cette augmentation de la concentration de produit formé pour une durée fixe

traduit une vitesse d’action de l’enzyme qui augmente.

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V = Quantité de produit / unité de temps

Il y a donc bien une relation entre la concentration de substrat et la vitesse

d’action de l’enzyme. Le logiciel calcule pour chaque courbe la vitesse initiale de la

réaction.

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La vitesse initiale (Vi) calculée représente la vitesse d ‘action de l’enzyme la plus

importante lors des premières secondes lorsque les conditions initiales (concentration du

substrat) sont peu modifiées. La Vi peut être estimée par la pente de la courbe au début

de l’expérience.

Chaque courbe P = f(t) nous donne une valeur de Vi. On peut donc tracer la

courbe Vi = f ( [S] )

C’est à dire une courbe qui traduit la vitesse de la réaction enzymatique en

fonction de la concentration en substrat du milieu.

La vitesse initiale de la réaction augmente fortement au départ et plus faiblement

ensuite avec l’augmentation de la concentration en substrat. La Vi atteint un palier ou

Vi = V max. La V max est indépendante de la concentration en substrat.

La V max semble traduire le fait que toutes les enzymes soient saturées, occupées.

Comment expliquer ce phénomène de saturation des enzymes ?

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Le graphique Vi = f( [S] ) avec le plateau de saturation ne peut s’expliquer

que si on admet une association entre le substrat et l’enzyme, la formation

d’un complexe enzyme substrat.

La formation de ce complexe demande un certain délai qui limite la vitesse

d’action. Voir doc. 12 p.33 du livre.

La formation de ce complexe enzyme substrat est certainement à l’origine de

l’efficacité des biocatalyseurs et explique aussi la spécificité de substrat et

d’action des enzymes.

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2 – L’action et la vitesse enzymatique dépendent de la formation d’un complexe enzyme-

substrat

L’action d’une enzyme est liée à sa capacité à se lier au substrat pour former un couple

enzyme substrat

[ES] temporaire suivant l’équation :

E + S ----- [ES] -- P + E (de nouveau disponible)

E = Enzyme

S = Substrat

[ES] = Complexe enzyme substrat transitoire

P = Produits de la réaction

Ce mode d’action de l’enzyme permet d’expliquer la courbe Vi = f[S]. Deux parties

différentes :

Partie croissante de la courbe : [S] faible, il y a peu de complexe [ES] et

il reste des molécules d’enzymes libres. En augmentant la concentration du

substrat, on augmente la probabilité de rencontre avec l’enzyme et la

formation des complexes, la vitesse augmente.

Le plateau, vitesse maximale de la réaction : Toutes les molécules

d’enzymes sont impliquées dans la formation d’un complexe à un moment

donné, il y une saturation des enzymes. L’augmentation de la

concentration de substrat ne peut faire augmenter la vitesse de la

réaction, on parle d’une vitesse maximale de l’enzyme.

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Conclusion : La réalisation d’une catalyse enzymatique passe par la formation

transitoire d’un complexe enzyme substrat. La phase de mise en place du

complexe à une durée qui limite la vitesse d’action d’une enzyme, ce temps

correspond à l’association et à la dissociation du complexe.

Remarque : Pour faire augmenter la vitesse de réaction enzymatique, il faut

augmenter la concentration en enzyme.

Toutes les propriétés des enzymes, biocatalyseurs s’expliquent par ce mode

d’action de l’enzyme. La formation du complexe permet à l’enzyme d’avoir le

substrat sous la main, ce qui rend possible des réactions impossibles dans la

nature sans enzymes.

La formation de ce complexe explique :

L’efficacité des enzymes a faible concentration

L’efficacité des enzymes à faible température

La spécificité de substrat et la spécificité d’action.

Problème : Sachant que l’action d’une enzyme nécessite la formation du

complexe enzyme-substrat, comment expliquer qu’une enzyme puisse fixer de

façon aussi précise et spécifique un substrat ?

C – Spécificité d’action d’une enzyme et conformation dans l’espace.

1 – Enzyme et site actif (voir schéma)

L’enzyme est une protéine, qui présente une structure tertiaire. On observe

toujours une zone en forme de sillon, que l’on nomme le site actif. Ce site

correspond à une région limitée de l’enzyme où s’associe le substrat. Le site

actif de l’enzyme à 2 fonctions :

Fixer le substrat spécifique de l’enzyme

Rendre possible la réaction chimique qui transforme le substrat en produits.

La formation du complexe [ES] au niveau du site actif repose sur une

complémentarité de forme et une affinité chimique. Le site actif comprend

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quelques acides aminés particuliers capables d’interagir avec le substrat en

créant des liaisons transitoires. On distingue :

Les acides aminés de reconnaissance qui vont en créant des liaisons faibles

avec le substrat permettre une stabilité transitoire du complexe.

Les acides aminés catalytiques qui vont assurés par des liaisons avec le

substrat la réaction chimique de catalyse

Remarque : les acides aminés de reconnaissance et catalytiques sont des acides

aminés non contigus dans la structure primaire de la protéine.

2 – L’influence des facteurs du milieu sur l’activité enzymatique

Parmi les facteurs de l’environnement on retiendra l’action de la température du

PH et des inhibiteurs sur l’activité enzymatique :

L’influence de la température :

Si la température baisse fortement, cela ralentit l’agitation moléculaire et la

probabilité de rencontre entre l’enzyme et son substrat. La vitesse enzymatique

diminue. A très faible température les enzymes sont immobiles.

A température ambiante (37°C), l’agitation moléculaire est plus importante, ce

qui favorise la formation des complexes, la vitesse enzymatique augmente.

10 000 molécules de substrat sont transformées par molécule d’enzyme et par

seconde.

Si la température augmente (>50°C) cela provoque un changement irréversible

de la structure tertiaire de la protéine, enzyme. Il y a une rupture des liaisons

non peptidiques. Le site actif est modifié et l’enzyme dénaturée devient

incapable de fixer son substrat. La vitesse enzymatique est nulle.

Influence du PH :

Le PH a une influence sur la structure tertiaire de l’enzyme en modifiant les

charges positives et négatives des acides aminés. La structure tertiaire change

et l’activité enzymatique est modifiée.

Les inhibiteurs ; il s’agit de molécules capables de se fixer au site actif de

l’enzyme par complémentarité spatiale sans provoquer de réaction. Un

inhibiteur est un antagoniste qui bloque le site actif et rend non

fonctionnelle l’enzyme. Exemple : Médicaments contre le diabète

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ENZYME

SUBSTRA

T

Liaisons faibles

Liaisons faibles

Polypeptide constituant

l’enzyme

Pont disulfure entre

acides aminés soufrés

non contigus

Acides aminés de

reconnaissances, fixent

le substrat au niveau

du site actif

Acides aminés de

reconnaissances, fixent

le substrat au niveau

du site actif

Acides aminés

catalytiques,

réagissent avec le

substrat pour le

transformer en

produits au niveau

du site actif

Acides aminés ne

faisant pas partie du

site actif

Liaison

faible

Le complexe enzyme substrat

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3 – Activité enzymatique et phénotype

Dans chaque cellule il y a environ 4000 enzymes différentes qui réalisent les

réactions du métabolisme cellulaire. Ces réactions conduisent à la mise en place

du phénotype cellulaire.

Les enzymes sont des protéines déterminées par l’équipement alléliques de la

cellule. Toute modification du génotype peut modifier l’activité enzymatique

d’une cellule, donc le phénotype cellulaire et macroscopique.

Les facteurs de l’environnement comme la température, le PH, les inhibiteurs

modifient aussi l’activité enzymatique et donc le phénotype cellulaire.

Conclusion ; Les enzymes sont le reflet de l’équipement alléliques d’une cellule.

Elles participent au phénotype moléculaire et contribuent à la mise en place du

phénotype cellulaire et macroscopique.

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Enzymes, génotype, phénotype et environnement

Catabolisme

Anabolisme

Métabolisme

Enzyme 2 Enzyme 1

Enzyme3

Chaine d’acides

aminés 3

Chaine d’acides

aminés 2

Chaine d’acides

aminés 1

Gène 1 Gène 2 et gène 3

Génotype

Effets des facteurs de

l’environnement (T°, PH)

Enzyme modifiée non

fonctionnelle

Cytoplasme

Enzymes

1.2.3 =

[moléculaire]

[Cellulaire]

Cellule

Noyau