third edition international student version

Principles of Biochemistry

Third Edition International Student Version

Chapter 11 Enzymatic Catalysis

Copyright © 2008 by John Wiley & Sons, Inc.

Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt

Chapter 11 Opener

1. Principes de Catalyse

2. Mécanismes

Exemples: Lysozyme – Ser Protéases – RNAse 1. Cinétique: principes – équation de Michaelis

2. Inhibiteurs

3. Cinétique à plusieurs substrats

4. Allostérie & régulation

Propriétés Générales des Enzymes

• Vitesse de réaction élevée: 106-1012 x plus que réaction non-catalysée

• Conditions douces: pH neutre (+/-) / basse T/

• Haute spécificité

• Capacité de régulation (=>mécanisme de contrôle)

Table 11-1

Table 11-2

Classification: nom officiel - nom alternatif spécificité de réaction - spécificité de substrat

Figure 11-1

Spécificité Notion de site actif: • complémentarité géométrique • complémentarité électronique • ajustement induit

Stereospécificité: exemple de Aconitase

Citrate est pro-chiral: devient chiral par substitution d’un des 2 carboxyméthyl

Figure 11-2 Citrate est pro-chiral: devient chiral par substitution d’un des 2 carboxyméthyl

Liaison absolument stereospécifique et complémentaire dans le site actf

Enzymes digestifs: large spécificité de substrat (=>spécificité permissive)

Hydrolyse des liaisons peptidiques ou liaisons ester

Figure 11-3

Apo-enzyme (inactif) + cofacteur => holoenzyme (actif)

=éléments trace/oligoéléments

associé en permanence labile/dissociable

composé organique/dérivé de vitamine

Les coenzymes doivent être régénérés après un cycle catalytique!

Figure 11-4

Coenzyme: exemple NAD(P)

Coenzyme: exemple NAD(P) cofacteur de l’Alcool Deshydrogénase labile, dissociable

Figure 11-5a

Energie d’activation – Diagramme d’état de transition Exemple: H + H2 -> H2 + H

Énergie libre d’activation

Figure 11-5b

Energie d’activation – Diagramme d’état de transition

Énergie libre d’activation

Ici:réaction spontanée: ΔGreaction<0

Figure 11-6

Energie d’activation – Diagramme d’état de transition réaction en 2 étapes

Étape limitante de la réaction ____ I->P ____ A->I

Figure 11-7

Energie d’activation – Diagramme d’état de transition Effet du catalyseur = abaisser la barrière énergétique

Vitesse de Catalyse:

R = vcat/vuncat = eΔΔG*cat

/RT

donc: à 25° (=298 K°), R=10x si ΔΔG*cat = 5.71 kJ*mol-1

Mécanismes

• Catalyse Acide-Base • Catalyse Covalente • Catalyse métallique • Effets de Proximité et d’Orientation • Stabilisation de l’état de transistion

Mécanismes

Catalyse acide-base: Exemple: formation de imine (base de Schiff)

Figure 11-8

Mécanismes

Catalyse acide-base générale: exemple tautomerisation ceto-enol

non-catalysé

Catalyse acide

Catalyse base

Figure 11-8a

Non-catalyse

Figure 11-8b

Catalyse acide

Figure 11-8c

Catalyse base

Box 11-1

Role du pH

Figure 11-9

Catalyse acide-base générale: exemple: RIBONUCLEASE

Figure 11-10


Figure 11-10 part 1


Figure 11-10 part 2


Figure 11-11

Catalyse nucleophile: exemple: décarboxylation

Catalyse nucleophile: exemple: décarboxylation

Formation d’une imine (Base de Schiff)

Figure 11-12

Agents nucleophile: Agents électrophiles:

Figure 11-12a

Figure 11-12b

Catalyse métallique: avec oligoéléments (métalloenzymes)

Fe2+

Fe3+

Cu2+

Mn2+

Co2+

Mo2+

Zn2+ role de catalyse ou de structure Mg2+ idem

Na+ K+ Ca2+ ont d’autres fonctions (pas catalyse)

Figure 11-13a

Catalyse métallique: exemple Zn

Figure 11-13b

Catalyse métallique: exemple Zn

Mécanismes effets de Proximité et d’Orientation

La réaction monomoléculaire (ci-dessous) est 24 fois plus rapide !

L’enzyme doit: • amener les partenaires en contact • lier les substrats dans une orientation favorable

• favoriser les chances de collision • stabiliser l’état de transition de la réaction (=catalyse électrostatique)

• bloquer l’agitation moléculaire des substrats et groupes catalytiques

Figure 11-14

Géométrie d’une réaction SN2

Empêchement stérique en liant le substrat l’enzyme peut provoquer une contrainte stérique qui déstabilise une liaison, ce qui augmente considérablement la réaction

Exemple: la réaction est 314 fois plus rapide si R=-CH3 vs -H

Figure 11-15

Stabilisation de l’état de transition de la réaction

La liaison de S ou P au site actif favorise l’abaissement de la barrière énergétique

Stabilisation de l’état de transition de la réaction Exemple: Proline Racemase

Inhibiteurs de l’état de transition:

Figure 11-16

Mécanismes: Exemple LYSOZYME

Substrat: hexasaccharide Hydrolyse des chaînes NAG-NAM (parois bactériennes)

Figure 11-17


Liaison du Substrat (=hexasaccaride) sur l’enzyme, face à Glu35/Asp52

Figure 11-18


Figure 11-19


La liaison du substrat à l’enzyme déstabilise le sucre D et impose une conformation demi-chaise peu stable

Figure 11-20

Figure 11-21


Figure 11-21 part 1


Figure 11-21 part 2


Figure 11-21 part 3


Figure 11-21 part 4


Figure 11-21 part 5


Figure 11-22


Analogues de l’état de transition = inhibiteurs efficaces

Note: C1, C2, C5 et O5 sont co-planaires, comme dans la cofiguration demi-chaise de D

Figure 11-23

Mécanisme: SERINE PROTEASES Site actif : identifié par marquage spécifique de Ser (p.ex. avec DIFP) Aussi marquage par affinité, p.ex. His (par TLCK), Phe (par TPCK)

Box 11-3a

ACETYLCHOLINESTERASE

ACETYLCHOLINESTERASE: Inhibiteurs

Figure 11-25

Mécanisme: SERINE PROTEASES

Trypsine

Liaison covalente de son inhibiteur LEUPEPTIN (=AcLeu-Leu-Arg)

Figure 11-26


Trypsine: site actif = triade catalytique

Figure 11-27


Poche de liaison du Substrat

Figure 11-28

triade catalytique


Figure 11-29


Figure 11-29 part 1


1. Attaque nucléophile sur Ser du site actif sur la liaison peptidique ->intermédiaire tétrahedrique

Figure 11-29 part 2


2. Décomposition de l’intermédiaire tetrahédirque en Acyl-enzyme intermédiaire (=catalyse acide base générale par Asp-His)

Figure 11-29 part 3


3. Élimination du peptide-amine & remplacement par une mol. H2O

Figure 11-29 part 4


4. Inverse de réaction 2/ ->nouvel intermédiaire tétrahedrique

Figure 11-29 part 5


5. Inverse de réaction 1/. Libère le résidu peptique carboxylique & régénère l’enzyme

Figure 11-32

a/ à pH 5, liaison covalent de Ser195-O sur C-terminal du S Une mol H2O est couplée à Acyl-Enzyme

b/ à pH 9, H2O forme un –OH sur le C- => intermédiaire tétrahédrique (ressemble à l’état de transition)

Structure de l’Acyl-enzyme - Intermédiaire tétrahédrique


Figure 11-30a


Stabilisation de l’état de Transision

Figure 11-30b


Stabilisation de l’état de Transision

Figure 11-31a


Complexe Trypsine – BPTI (=inhibiteur de trypsine bovine) Structure similaire à l’intermédiaire de l’état de transition

Figure 11-33

Les Enzymes digestifs sont formés à partir de précurseurs inactifs

(= ZYMOGENES)


Box 11-4a


Facteurs de Coagulation

Box 11-4b



Box 11-4c



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