structure et propriétés des enzymes objectifs de la leçon 1- définir les termes enzymes,...
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Structure et propriétés des enzymesStructure et propriétés des enzymes
Objectifs de la leçon1- Définir les termes enzymes, substrat,
produits2- Établir l’équation de Michaélis- Menten3- Représenter graphiquement l’équation de
Michaélis- Menten4- Déterminer 3 méthodes de linéarisation de
l’équation de Michaélis- Menten
I-GénéralitésI-Généralités
Définition des enzymes :- Composés protéiques- Biocatalyseurs spécifiques : modulateurs des
réactions chimiques - L’activité enzymatique est intimement liée à la
structure tridimensionnelle- Perte d’activité par dénaturation protéique
I- GénéralitésI- Généralités
Propriétés générales des enzymes- Elles ne créent pas les réactions - Elles accélèrent la vitesse des réactions
chimiques- Elles abaissent l’énergie d’activation et
augmentent la concentration des substrats à l’état activé
- Elles ne se perdent pas dans la réaction- Elles n’interviennent pas dans l’équilibre des
réactions chimiques réversibles
I- GénéralitésI- Généralités
Propriétés générales des enzymes (suite)
- Les enzymes agissent à de très faibles concentrations
Activité moléculaire spécifique (AMS) :
103<AMS<106
I- GénéralitésI- Généralités
Propriétés générales des enzymes (suite)Les enzymes sont spécifiques :
Spécificité de fonction
Spécificité de substrat
Spécificité optique
Spécificité d’organe : exemple aminotransférases du foie et du
coeur
II- Nomenclature des enzymesII- Nomenclature des enzymes
Conceptions anciennes- Rajout du suffixe " ase " au nom du substrat Exemple substrat= urée ; Uréase = enzyme transformant l’urée
en ammoniac + CO2
- Rajout du suffixe " ase " au type de réaction catalysée par l’enzyme
Exemple : urée + H2O ammoniac +CO2 (hydrolase)
- Noms communs consacrés par l’usage : Exemple : pepsine, trypsine, chymotrypsine
….etc.
II- Nomenclature des enzymesII- Nomenclature des enzymes Conceptions actuellesNuméro d’ordre - Recommandation de l’union internationale de
Biochimie (UIB) : enzyme dénommée par 4 chiffres séparés par des points
Exemple : 1.1.1.1. = alcool déshydrogénaseNom systématiqueNom commun recommandé (appellation
consacrée par l’usage)
II- Nomenclature des enzymesII- Nomenclature des enzymes Les 4 chiffres recommandés par l’UIB- Premier chiffre(le plus important) = classe
de l’enzyme- Deuxième chiffre = sous-classe de l’enzyme
(type de fonction du substrat participant à la réaction)
- Troisième chiffre = sous-sous-classe de l’enzyme (nature de l’accepteur)
- Quatrième chiffre = place de l’enzyme particulière à nommer dans la sous-sous-classe.
II-1 Nomenclature des enzymes II-1 Nomenclature des enzymes selon le numéro d’ordre de l’UIBselon le numéro d’ordre de l’UIB
Les 6 classes principales d’enzymes (Premiers chiffres selon UIB):
- 1. Classe des oxydo-réductases- 2. Classe des transférases- 3. Classe des hydrolases (OTHLIL)- 4. Classe des lyases- 5. Classe des isomérases- 6. Classe des ligases
II-2 Autre nomenclature des enzymesII-2 Autre nomenclature des enzymes ( noms systématique et ( noms systématique et recommandé)recommandé) Nom systématique : 3 éléments de référence du nom systématique :- Nature du donneur- Nature de l’accepteur- Type de réaction catalyséeNom recommandé :Appellation consacrée par l’usage, comme dans
le cas des conceptions anciennes
II-3.Application de la nomenclature II-3.Application de la nomenclature des enzymesdes enzymes
Exemple : phosphorylation du glucoseα-D-glucose + ATP α-D-glucose-6-phosphate +
ADP- Numéro d’ordre = 2.7.1.1.- Nom systématique = ATP- α-D-glucose - 6-
phosphate transférase- Nom recommandé = Glucokinase
III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-1. Les réactions d’oxydo-réduction- Transfert d’électrons avec ou non transfert de
protons- Support du transfert : corps donneur et corps
accepteur- Exemple : CH3-CH2OH + NAD CH3-CHO + NADH2
Ethanol Acétaldéhyde- Faits marquants : transfert d’hydrogènes et
d’électrons
III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-2. Les réactions de transfertExemple :phosphorylation du glucoseGlucose + ATP Glucose-6 P + ADPEnzymes de catalyses = transférases
III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-3. Réactions d’hydrolyse- réactions réversibles- Enzymes de catalyse : hydrolases- Exemple :CH3-CO-O-CH2-CH2-N
+(CH3)3 cH3-COOH + OH-CH2-CH2- N+(CH3)3
Acétylcholine Acide acétique + Choline
III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiques
III-4.Réactions catalysées par les lyases
- Addition ou retrait de groupements à des carbones impliqués dans des liaisons
- Création ou saturation de doubles liaison
III-Grandes fonctions enzymatiquesIII-Grandes fonctions enzymatiquesIII-5. Réactions d’isomérisation- Réarrangements intramoléculaires- Enzymes de catalyse : isomérases- Catégories d’isomérases Racémases :(série D Série L)Mutases : transfert interne de radical
(exemple : Glucose-6-phosphate Glucose-1-phosphate)
Epimérase ( exemple: Galactose glucose)Cis trans-isomérase (exemple : Fumarate
Malate)
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueComplexe enzyme-substrat (complexe ES)- fixation du Substrat sur le site actif de
l’enzyme
S + E ES P + E
Remarque : - S= substrat; E = Enzyme; P = Produit- Disparition de S se traduit par l’apparition de P
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueVitesse de la réaction (V)-Nombre de molécules de substrat (S)
transformées en produit (P) par unité de temps. V = ‑ d[S] = d[P] dt dt- Ordre de réaction 0, 1 ou 2 en cinétique
chimique A…B V = ‑ d[A] = K[A] dt α = ordre de la réaction; K = constante de
vitesse
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueRéaction du premier ordre : - transformation d’un seul substrat- [S] est une fonction exponentielle
décroissante du temps et de K la constante de vitesse:
Ln [S] = -Kt + Ln [S0] d’oùV = ‑ d[S] = d[P] = K1[S] dt dtT1/2=durée de consommation de la moitié de [S]T1/2 = Ln2/K1
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueRéaction de second ordre :- réaction où deux substrats réagissent entre
eux pour donner un ou deux produits A + B …… CV = d[C] = K[A] [B] dt Remarque : V en Ms-1 et K en M -1 S –1
T1/2 = 1/(K2 [A0])
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueApplication à la réaction enzymatique- 2 étapes essentielles : formation du complexe
ES et étape de catalyse avec apparition de produit (P)
E + S ES E + P
Remarque : - ES = complexe de Michaëlis – Menten- ES se dissocie en P et en E. La constante est
appelée constante catalytique Kcat (en s -1 )
K1
K-1
K2
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatique
Vitesse initialeV0 = d[P] = Kcat [ES] dtHypothèse de Brigg et Haldane- notion d’état stationnaire :Va = K1[E][S] = Vd= K-1 [ES] + Kcat [ES]
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Brigg – HaldaneK1[E][S] = K-1 [ES] + Kcat [ES]= (K-1 + Kcat) [ES] et
(K-1 + Kcat)/ K1 = Km
D’où [E][S] = Km [ES] Km = constante de Michaëlis .Remarque : Km s’exprime en molarité (ou M),
c’est une concentration.
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Michaelis – Menten
[E]totale = [E]0 = [E] + [ES] d’où [E]= [E]0 - [ES]
On a [E][S] = Km [ES] ( équation de Brigg – Haldane)
Alors ([E]0 - [ES]) [S] = Km [ES]
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Michaëlis – Menten[E]0 [S] - [ES] [S] = Km [ES] d’où [E]0 [S] = [ES] [S] + Km [ES] = ([S] + Km ) [ES] [E]0 [S] = ([S] + Km ) [ES] d’où[ES] = [E]0 [S] / ([S] + Km ) Donc V0 = Kcat [ES] = Kcat [E]0 [S] / ([S] + Km )
= équation de Michaëlis-MentenRemarque : si [ES] = [E]0 =[E]totale
IV- Cinétique enzymatiqueIV- Cinétique enzymatiqueEquation de Michaelis – Menten (MM)si [ES] = [E]0 = [E]totale alorsV0 = Vmax = Kcat [E]0 et on avait V0 = Kcat [ES] = Kcat [E]0 [S] / ([S] + Km )
V0 = Vmax[S] = équation de MM Km + [S]
V- Représentation graphiqueV- Représentation graphiqueCinétique Michaélienne
Km
Vmax
v
[S]
Vmax/2
Courbe de Michaelis-Menten
V- Représentation graphiqueV- Représentation graphiqueLinéarisation de l’équation de MMÉquation de Lineweaver- Burk (LB)
-1/Km
1/Vmax
2/Vmax
1/V
1/[S]
max
1)
][
1(
max
1
VSV
Km
v
Droite de Lineweaver-Burk
V- Représentation graphiqueV- Représentation graphiqueLinéarisation de l’équation de MM
Transformation d’Eadie-Hofstee
Vmax/Km
Vmax
V
v/[S]
V- Représentation graphiqueV- Représentation graphique
-Km
Km/Vmax
[S]/V
[S]
Linéarisation de l’équation de MM par Transformation selon Hanes
Modulation de l’activité Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueObjectifs de la leçon1- Décrire les différents types d’inhibition
enzymatique2- Déterminer les constantes Km et Vmax en
absence et en présence d’un inhibiteur compétitif non compétitif ou incompétitif
3- Représenter la cinétique en absence et en présence de de chacun des différents inhibiteurs ( compétitif non compétitif ou incompétitif)
4- Comparer les profils cinétiques de l’enzyme à la cinétique michaëlienne et de l’enzyme allostérique
VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueEffecteurs physiquesEffet du pH sur l’activité enzymatique - activité enzymatique maximale au pH optimum. Effet de la température sur l’activité
enzymatique- activité enzymatique maximale à température
optimale - Augmentation de la température peut
dénaturer (perte de l’activité enzymatique)
Récapitulatif des effets pH et Récapitulatif des effets pH et température sur l’activité de température sur l’activité de l’enzymel’enzyme
3 7 12 10 40 70
Activité relative Activité relative
pH Température
VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueActivateurs et Inhibiteurs enzymatiques- Certains composés agissent sur l’activité
enzymatique :en la favorisant (ce sont les activateurs), ou en la défavorisant (ce sont les inhibiteursInhibiteurs réversibles compétitifsInhibiteurs réversibles non compétitifsInhibiteurs incompétitifs.
VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatique
Inhibiteurs réversibles compétitifs (IRC)- Les IRC se lient de manière réversible au site
actif de l'enzyme et en bloquent l'accès au substrat.
- IRC et substrat (S) souvent analogues structuraux d’où la compétition entre IRC et substrat (S)
Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles compétitifsd’inhibiteurs Réversibles compétitifs
Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles compétitifsd’inhibiteurs Réversibles compétitifsDevenir des constantes cinétiques KM et VmaxKM
Dans l’équation de Michaelis-Menten KM est remplacé par :
KM' = KM • (1 + [I]/KI )
où KI = ki/k-i est la constante de dissociation de l'inhibiteur.
Vmax La vitesse maximale vmax reste la même.
Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles compétitifsd’inhibiteurs Réversibles compétitifsReprésentation graphique de Lineweaver-
Burk1/V
E + S
E + S + IRC
VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatique
Inhibiteurs réversibles non compétitifs (IRNC)
- IRNC se lient de manière réversible ailleurs qu'au site actif de l'enzyme et n'en empêchent pas l'accès du substrat (S).
Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles non compétitifsd’inhibiteurs Réversibles non compétitifs
Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles non d’inhibiteurs Réversibles non compétitifscompétitifsDevenir des constantes cinétiques KM et Vmax
KM
- KM ne change pasVmax
- Vmax change
vmax' = vmax / (1 + [I]/KI )
Cinétique enzymatique en présence Cinétique enzymatique en présence d’inhibiteurs Réversibles non d’inhibiteurs Réversibles non compétitifscompétitifsReprésentation graphique de Lineweaver-Burk
1/V
E + S
E + S + IRNC
VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatiqueInhibition incompétitive - l'inhibiteur incompétitif ne se lie que sur le
complexe Enzyme-substrat (ES)
VI- Modulation de l’activité VI- Modulation de l’activité enzymatiqueenzymatique
Effet des activateurs- petites molécules : cations métalliques- Association à l’enzyme ou au complexe ES- Effets délétères des chélateurs de ces ions sur
l’activité enzymatique
VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Site actif- centre catalytique constitué de groupements
fonctionnels- groupements fonctionnels non forcément
voisins sur la structure I aire mais rapprochés à la faveur des autres structures (II aire, IIIaire et IV aire)
- Site actif = cible pour le marquage chimique
VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Marquage du site actif de l’enzyme- marqueurs présentant une affinité des
groupements du sites- Marqueur inactive l’enzymeExemple de marqueurs :diisopropylfluorophosphate (cible :ser);iodacétamide (cible : Cys); acétylation (cible : -
NH2);estérification (cible : groupe C00H)
VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Importance relative des AA dans l’activité de l’enzyme
- AA du site actif : rôle de fixation,d’orientation et d’activation
- AA collaborateurs : pas d’action directe mais leur fragilisation fragilise l’enzyme
- AA auxiliaires : participent fixation de S et expulsion de P
- AA non collaborateurs : rôle non établi.
VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Niveau d’organisation des enzymes- systèmes poly enzymatiques :cas des enzymes
cellulaires (succession des réactions )- Exemple de chaîne séquentielle : E1 E2 E3 E4
A → B → C → D → Produit final
VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Enzymes allostériquesCaractéristiques- enzymes volumineuses, fragiles (purification
difficile)- enzymes inactives à 0°C; activité optimale à
+20°C- Enzymes formées de plusieurs sous-unités - Coopérativité des sous-unités par transition
allostérique
VII- Support structural- Mécanisme VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation des enzymesd’action – Régulation des enzymes
Enzymes allostériquesCinétique des enzymes allostériques-Allure sigmoïdale (Enzyme allostérique)
contrairement à celle hyperbolique (Enzyme à cinétique michaëlienne)
VII- Support structural- VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation Mécanisme d’action – Régulation des enzymesdes enzymes
cinétique d’enzyme allostérique v
[S]
VII- Support structural- VII- Support structural- Mécanisme d’action – Régulation Mécanisme d’action – Régulation des enzymesdes enzymes
Enzymes allostériquesDésensibilisation des enzymes allostériques- perte de l’effet coopératif - Insensibilité aux modulateurs- Activité enzymatique : l’allure sigmoïde est
remmplacée par une hyperbole (cinétique michaélienne)
VIII- Les CoenzymesVIII- Les CoenzymesGénéralités sur les coenzymes- Enzymes distinguées en holoenzymes et en
hétéroenzymes- Hétéroenzyme : apoenzyme + partie non
protéique- Partie non protéique :Cofacteur = ion métalliqueCoenzyme = molécule organique (groupement
prostétique, co substrat)Exemples de coenzymes : NAD; NADP; FAD; FMN, phosphate de pyridoxal;
pyrophosphate de thiamine, Coenzyme A
IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymesGénéralités sur les isoenzymes- Isoenzymes = formes moléculaires d’une même
enzyme- Formes actives sur le même substrat principalÉléments de différence :- Charge- pH optimum d’activité- Thermostabilité- Substrats secondaires- Inhibiteurs chimiques
IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymes Intérêts bio cliniques des isoenzymesExemple de la lacticodéshydrogénase (LDH)- 5 isoenzymes LDH1, LDH2, LDH3,LDH4 et LDH5
- Chaque isoenzyme, tétramérique, est formées à partir de deux types de sous-unités M et H
- origine tissulaire des sous-unités :M : prédominant dans le muscleH : prédominant dans le cœur (H = Hearth)
IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymes Intérêts bio cliniques des isoenzymesProfil électrophorétique des isoenzymes LDH M4 M3H1 M2H2 M1H3 H4
LDH5 LDH4 LDH3 LDH2 LDH1
Dépôt
- +
IX- Les isoenzymesIX- Les isoenzymes Intérêts bio cliniques des isoenzymesExemple de la créatine kinase (CK)- 3 isoenzymes : CK-BB, CK-MB et CK-MM- Chaque isoenzyme, dimérique, est formée à
partir de deux types de sous-unités M et BM : prédominant dans le muscleB : prédominant dans le cerveau (B = Brain)- CK-BB, CK-MB et CK-MM sont séparables par
électrophorèse- CK-MB augmente au cours de l’infarctus du
myocarde
X- Les macroenzymesX- Les macroenzymesGénéralités :macroenzymes : formes inhabituellesComplexes divers : - association enzymes et immunoglobulines - enzymes autoagrégées - association enzymes et lipoprotéines - enzymes de fragment membranaire
circulant
X- Les macroenzymesX- Les macroenzymes Intérêts bio cliniques des macroenzymesExemples :Macroamylase : élévation dans affection
pancréatiqueMacrocréatine kinases : macro CK de type 1
et macro CK de type 2
X- Les macroenzymesX- Les macroenzymesValeur diagnostique des macrocréatines
kinases - Élévation macro CK de type 1 : sans valeur
diagnostique, faux positif au cours de l’infarctus du myocarde
- Élévation macro CK de type 2 :infarctus massif du myocarde (mauvais pronostic)
FINFIN