Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

TP : la spécificité des enzymes

TP : la vitesse de réaction enzymatique (lien vers le modèle utilisé)

TP : le fonctionnement des enzymes en fonction de la température

Les enzymes sont généralement des protéines issues de l’expression des gènes. Leur séquence en acides aminés détermine leur structure tridimensionnelle, indispensable à leur fonctionnement.

Une enzyme est un catalyseur biologique : elle accélère une réaction chimique sans être consommée. Elle transforme un ou plusieurs substrats en un ou plusieurs produits :

enzyme + substrat → complexe enzyme-substrat → enzyme + produit(s)

Une enzyme possède une double spécificité : une spécificité de substrat et une spécificité d’action. Celle-ci repose sur son site actif, dont certains acides aminés assurent la reconnaissance du substrat et d’autres participent à la catalyse.

Les cellules d’un organisme n’expriment pas toutes les mêmes gènes et possèdent donc des équipements enzymatiques différents. Ceux-ci déterminent les réactions et les voies métaboliques qu’elles peuvent réaliser et participent ainsi à leur spécialisation fonctionnelle.

La vitesse d’une réaction enzymatique dépend notamment de la concentration en substrat : elle augmente avec celle-ci jusqu’à atteindre une vitesse maximale lorsque les enzymes sont saturées. À quantité suffisante de substrat, elle augmente également avec la concentration en enzyme.

1. Les enzymes sont des protéines issues de l’expression des gènes

Les enzymes sont, dans leur très grande majorité, des protéines produites par les cellules. Comme toute protéine, leur production résulte de l’expression d’un gène.

L’information portée par l’ADN est d’abord utilisée pour produire un ARN pré-messager par transcription. Après maturation, l’ARN messager obtenu est traduit par les ribosomes en une chaîne d’acides aminés. Celle-ci se replie ensuite dans l’espace pour former une protéine possédant une structure tridimensionnelle particulière.

On peut ainsi établir la relation :

Gène → transcription → ARNm → traduction → protéine enzymatique

La séquence du gène détermine donc la séquence en acides aminés de l’enzyme, qui participe à déterminer sa structure et ses propriétés.

2. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques

De nombreuses réactions chimiques nécessaires au fonctionnement des cellules seraient trop lentes dans les conditions cellulaires si elles se déroulaient spontanément.

Une enzyme est un catalyseur biologique : elle augmente la vitesse d’une réaction chimique sans être consommée au cours de celle-ci. Elle peut donc participer successivement à la transformation de nombreuses molécules.

La ou les molécules sur lesquelles agit l’enzyme sont appelées substrats. La réaction enzymatique conduit à la formation d’un ou plusieurs produits.

On peut représenter simplement une réaction enzymatique par :

Enzyme + substrat → complexe enzyme-substrat → enzyme + produit(s)

L’enzyme est retrouvée intacte à la fin de la réaction et peut donc catalyser une nouvelle transformation.

3. Les enzymes présentent une double spécificité

Une enzyme n’agit pas indifféremment sur toutes les molécules. Son activité présente une double spécificité.

La spécificité de substrat signifie qu’une enzyme reconnaît un substrat particulier, ou un ensemble très restreint de substrats. Par exemple, l’amylase agit sur l’amidon tandis que la maltase agit sur le maltose.

La spécificité d’action signifie qu’une enzyme catalyse un type précis de réaction chimique. Ainsi, au cours de la digestion des glucides :

Amidon — amylase → maltose et autres glucides plus courts

puis :

Maltose — maltase → glucose

Chaque enzyme catalyse donc une transformation déterminée d’un substrat déterminé.

4. La structure tridimensionnelle de l’enzyme détermine son fonctionnement

Après sa synthèse, la chaîne d’acides aminés constituant une enzyme se replie et acquiert une structure tridimensionnelle particulière.

Une petite région de l’enzyme, appelée site actif, intervient directement dans la réaction enzymatique. Ce site est constitué d’acides aminés qui peuvent être éloignés dans la séquence de la protéine mais rapprochés grâce à son repliement tridimensionnel.

Au sein du site actif, certains acides aminés participent à la reconnaissance et à la fixation du substrat, tandis que d’autres participent directement à la catalyse de la réaction.

La complémentarité entre le substrat et le site actif permet la formation temporaire d’un complexe enzyme-substrat.

Ainsi :

Séquence en acides aminés → structure 3D → site actif → spécificité et activité de l’enzyme

Une modification de la séquence en acides aminés peut donc parfois modifier la structure du site actif et, par conséquent, l'activité de l'enzyme.

5. L’équipement enzymatique participe à la spécialisation des cellules

Les cellules d’un organisme possèdent globalement la même information génétique, mais elles n’expriment pas toutes les mêmes gènes.

Selon les gènes exprimés, elles produisent donc des protéines et notamment des enzymes différentes. Chaque type cellulaire possède ainsi un équipement enzymatique particulier, adapté à ses fonctions.

Par exemple, certaines cellules des glandes salivaires produisent de l’amylase salivaire, tandis que des cellules de l’intestin grêle produisent notamment la maltase.

Les enzymes constituent donc l’un des éléments permettant aux cellules de réaliser des réactions chimiques particulières et participent ainsi à leur spécialisation fonctionnelle.

6. Les enzymes permettent la réalisation des voies métaboliques

Dans l’organisme, les transformations chimiques se déroulent souvent sous la forme de successions de réactions constituant des voies métaboliques. Chaque étape peut être catalysée par une enzyme spécifique.

La digestion de l’amidon en constitue un exemple. L’amidon contenu dans certains aliments est progressivement hydrolysé grâce à plusieurs enzymes digestives. L’amylase participe à sa dégradation en glucides plus courts, tandis que la maltase permet ensuite l'hydrolyse du maltose en glucose.

Le glucose obtenu peut alors être absorbé par l’intestin et rejoindre la circulation sanguine.

La présence d’enzymes spécifiques permet ainsi la réalisation rapide et contrôlée des transformations chimiques indispensables au fonctionnement de l’organisme.

7. La concentration en substrat influence la vitesse d’une réaction enzymatique

La vitesse d’une réaction enzymatique peut être évaluée par la quantité de substrat transformée ou de produit formé par unité de temps.

Lorsque la concentration en substrat augmente, les rencontres entre les molécules de substrat et les enzymes deviennent plus fréquentes. La vitesse de la réaction augmente donc.

Cependant, cette augmentation possède une limite : à forte concentration en substrat, les sites actifs des enzymes sont occupés presque en permanence. L’enzyme est alors saturée et la vitesse de réaction atteint une valeur maximale.

Augmentation de la concentration en substrat → augmentation de la vitesse → saturation de l’enzyme → vitesse maximale

Au cours d’une réaction réalisée dans un milieu fermé, la concentration en substrat diminue progressivement. La vitesse peut donc être élevée au début puis diminuer à mesure que le substrat est consommé.

8. La concentration en enzyme influence également la vitesse de réaction

Lorsque le substrat est disponible en quantité suffisante, augmenter la concentration en enzyme augmente le nombre de sites actifs disponibles.

Un plus grand nombre de molécules de substrat peuvent alors être transformées simultanément : la vitesse de la réaction enzymatique augmente.

Ainsi, pour une quantité suffisante de substrat :

Augmentation de la concentration en enzyme → davantage de sites actifs disponibles → augmentation de la vitesse de réaction

La vitesse d’une réaction enzymatique dépend donc notamment des concentrations en enzyme et en substrat.

1. Les enzymes sont généralement :

A. des protéines issues de l’expression des gènes

B. des molécules d’ADN

C. des organites cellulaires

D. des glucides produits par les cellules

2. De quoi dépend notamment la structure tridimensionnelle d’une enzyme ?

A. De la quantité de substrat présente

B. De sa séquence en acides aminés

C. Du nombre de cellules qui la produisent

D. De la quantité de produits formés

3. Quel est le rôle d’un catalyseur biologique ?

A. Fournir directement de l’énergie à la cellule

B. Empêcher une réaction chimique

C. Être transformé définitivement en produit

D. Accélérer une réaction chimique sans être consommé

4. Comment appelle-t-on la molécule sur laquelle agit une enzyme ?

A. Un produit

B. Un catalyseur

C. Un substrat

D. Un organite

5. Qu’est-ce que le complexe enzyme-substrat ?

A. L’association temporaire d’une enzyme avec son substrat

B. L’association définitive de deux enzymes

C. Le produit final d’une réaction enzymatique

D. Une enzyme dont le site actif a disparu

6. Que signifie la spécificité de substrat d’une enzyme ?

A. Elle peut catalyser toutes les réactions chimiques

B. Elle reconnaît un substrat particulier ou un ensemble très restreint de substrats

C. Elle n’agit qu’à une concentration précise

D. Elle produit toujours la même molécule quelle que soit la réaction

7. Quelle structure de l’enzyme intervient directement dans la reconnaissance du substrat et la catalyse ?

A. Le noyau

B. La membrane

C. Le ribosome

D. Le site actif

8. Pourquoi des cellules d’un même organisme peuvent-elles posséder des équipements enzymatiques différents ?

A. Elles ne possèdent pas le même ADN

B. Elles possèdent des nombres différents de chromosomes

C. Elles n’expriment pas toutes les mêmes gènes

D. Elles utilisent des codes génétiques différents

9. Que se passe-t-il lorsque la concentration en substrat augmente fortement alors que la concentration en enzyme reste constante ?

A. La vitesse augmente puis atteint une valeur maximale lorsque les enzymes sont saturées

B. La vitesse diminue systématiquement

C. Les enzymes sont progressivement consommées

D. La réaction s’arrête immédiatement

10. Si le substrat est disponible en quantité suffisante, que provoque une augmentation de la concentration en enzyme ?

A. Une diminution de la vitesse de réaction

B. Une augmentation de la vitesse de réaction

C. Une modification de la spécificité des enzymes

D. Une saturation immédiate du substrat

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