Les enzymes Allostriques I. Considrations gnrales :
La rgulation de l'activit enzymatique se fait deux niveaux : 1)
long terme : rgulation de la quantit denzyme par synthse ou
dgradation (ou les deux) 2) court terme : modification des activits
enzymatiques elles-mmes. Contrle de l'activit d'une enzyme Les
mcanismes principaux se rsument en deux catgories : 1) mcanisme
impliquant un changement dans la structure covalente dune enzyme.
2) mcanisme modifiant la conformation de lenzyme par la liaison
rversible de molcules rgulatrices. Lactivit des enzymes peut tre
contrle par de nombreux processus : Lactivit des enzymes dpend de
leur concentration et de leur localisation dans la cellule,
fonction de la synthse et de la dgradation des enzymes, de leur
trafic intracellulaire et/ou de leur scrtion. Lactivit des enzymes
dpend de leur environnement : concentration de substrat ,
cofacteurs (ions, coenzymes), pH, temprature. Lactivit des enzymes
peut tre contrle de manire rversible par modification covalente.
Lactivit des enzymes peut tre contrle de manire irrversible par
protolyse mnage. Lactivit des enzymes peut tre contrle par des
agents modulateurs (inhibiteurs, activateurs) agissant par divers
mcanismes.
II.
Les enzymes allostriques :
1. Lallostrie : Lallostrie dsigne une variation de conformation
de protines sous leffet de la fixation dun substrat ou dune molcule
effectrice, do lacquisition de proprits particulires (changement
dactivit.) On dcrit cela comme des effets coopratifs. Ceux ci sont
concevables si et seulement si la macromolcule est sous forme
oligomrique. 2. Effet de cooprativit : la cooprativit traduit le
fait que la fixation sur l'enzyme d'une molcule d'un effecteur
allostrique influe sur la fixation des molcules suivantes. Dans le
cas de cooprativit en prsence du substrat, Si l'effecteur
allostrique est le substrat lui mme on parle de modulation
homotrope. Si l'effecteur est diffrent du substrat on parle de
modulation htrotrope. Dans une cooprativit positive, une molcule
d'un effecteur entrane l'augmentation de l'affinit pour les mmes
molcules et vice versa pour une cooprativit ngative. 3. Proprits
dune molcule allostrique Il existe une structure quaternaire (en
pratique, entre un dimre et un ttramre) La variation de
conformation de la structure dpend du taux doccupation des sites de
liaison. Pour toutes les enzymes allostriques, la cintique nest pas
michalienne. Ces molcules jouent des rles clef dans la rgulation du
mtabolisme.
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4. Mcanisme Dans certains systmes multienzymatiques, lenzyme
rgulateur est inhib de faon spcifique par le produit terminal de la
voie mtabolique, chaque fois quil se trouve en excs par rapport aux
besoins. Ce type de rgulation est appele rtrocontrle (inhibition
par feed-back).
Ces enzymes ne sont autres que des protines allostriques
prsentant des proprits semblables celles de lhmoglobine. Les
enzymes allostriques font intervenir une liaison rversible, non
covalente, dune molcule rgulatrice appele modulateur, ou effecteur,
allostrique. Le terme allostrique vient du grec allos, autre, et
stereos, forme. Les enzymes allostriques prennent une autre forme
(une autre conformation) la suite de la liaison du modulateur. Ce
sont des protines complexes possdant gnralement plusieurs
sous-units. Il existe au moins un site de fixation pour le substrat
(site actif, catalytique) et au moins un site de fixation
(spcifique) pour un modulateur (site rgulateur). Dans certains cas,
le site rgulateur et le site actif sont sur des sous-units
diffrentes. Les modulateurs des enzymes allostriques peuvent tre
des inhibiteurs ou des activateurs. 5. Cintique des enzymes
allostriques : Les enzymes allostriques sont des enzymes de
rgulation des chanes mtaboliques. Elles sont caractrises par des
comportements cintiques diffrents de ceux des enzymes
michaelliennes. Contrairement ces dernires (cintique
'HYPERBOLIQUE'), les enzymes allostrique prsentent une cintique
'SIGMOIDE' Il existe sur la courbe sigmode de saturation une
concentration en substrat pour laquelle la vitesse est gale la
moiti de la vitesse maximale, il nest pas correct de lappeler Km,
puisque lenzyme nest pas michaelien. On utilisera les expressions
(K 1/2) pour dsigner cette concentration de substrat donnant pour
un enzyme allostrique une vitesse de raction gale la moiti de la
vitesse maximale.
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Une cintique sigmode reflte en gnral des interactions
coopratives entre plusieurs sous units protiques. En dautres
termes, des changements dans la structure dune sousunit se
traduisent par des changements dans la structure des autres
sousunits, la suite dinteractions non covalentes linterface entre
les sousunits. Les principes et les modles sont semblables ceux qui
sont prsents propos de la liaison cooprative de loxygne la protine
non enzymatique hmoglobine, avec un tat tendu (T) et un tat relach
(R). Le mcanisme prcis des interactions allostriques na pas t
tabli. 6. Modulations allostriques de types K et V : Trois types
d'enzymes allostriques peuvent tre distingus selon les effets
exercs sur elles par les effecteurs homotropes et htrotropes qui
les concernent. Ainsi, on distingue:
Les enzymes du systme K o l'effecteur ne modifie que l'affinit
apparente (K1/2) de l'enzyme pour le substrat. Les enzymes du
systme V o l'effecteur ne modifie que la vitesse maximale (Vmax) de
la raction. Les enzymes du systme mixte o l'effecteur modifie les
deux paramtres K 1/2 et Vmax.
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7. Effet de dsensibilisation : Le traitement d'une enzyme
allostrique par des agents physiques (ex. Chauffage) ou chimiques
(ure, drivs mercuriques) s'accompagne d'une perte de la sensibilit
de l'enzyme aux effecteurs allostriques (dsensibilisation).
Cependant, l'activit enzymatique persiste. Seul, le site
allostrique est dtruit. Il en rsulte une perte du phnomne de
cooprativit et la cintique devient hyperbolique
III.
Utilisation des enzymes au Laboratoire
Les enzymes au laboratoire sont utiliss dans des domaines trs
diffrents : 1. des fins de dosage : Dosage de substrats grce une ou
des ractions qui mettent en uvre des enzymes, on dose un produit P
(ou P) aprs transformation totale de S. L'enzyme n'est qu'un ractif
particulier.
Dosage denzyme ; on dtermine une concentration dactivit
catalytique (catc), cela revient dterminer une vitesse initiale
dans les conditions bien particulires de mesure de Vmax. 2. des
fins de production industrielle.
1. Expressions de l'activit enzymatique :
katal (kat), unit officielle : quantit d'enzyme qui catalyse la
transformation de 1 mole de substrat par seconde. Le katal n'est
jamais utilis, car beaucoup trop grand. On doit utiliser des
sous-units comme les kat (10-6 katal), nkat (10-9 katal) ou pkat
(10-12 katal).
L'unit internationale (IU, International Unit), utilise par la
plupart des biochimistes. Elle correspond la quantit d'enzyme qui
catalyse la transformation de 1 mole de substrat par minute. 60 IU
valent donc 1 kat. L'activit molaire est le nombre de moles de
substrat transform par mole d'enzyme par minute (kcat x 60).
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Lactivit spcifique, soit l'activit par mg de protine purifie.
Normalement, elle est donne en IU/mg protine (ou kat/mg). Si on
calcule l'activit spcifique sur un extrait non-purifi (soit un
mlange de protines), elle indique la puret d'une enzyme.
2. Prparation et purification des enzymes : Au cours d'une
purification d'enzyme, on mesure rgulirement: l'activit totale (IU
ou kat), la quantit totale de protines (mg) et le volume total de
solution (ml). De ces trois valeurs, on peut calculer: L'activit
spcifique (Activit totale / quantit totale de protine, IU/mg) Le
rendement : Activit enzymatique une tape donne / Activit
enzymatique ltape initiale Le taux de purification : Activit
spcifique une tape donne / Activit spcifique ltape de
purification.
L'activit spcifique et le taux de purification atteigne une
valeur maximale lorsque l'enzyme est pure.
Coenzymes et VitaminesLes enzymes sont des protines, certaines
enzymes sont trs simples car constitues dune seule chane
polypeptidiques, ce sont les holoprotines, comme le lysozyme, mais
la plupart des enzymes sont des htroprotines : pour exercer leurs
fonctions catalytiques ces protines ont besoin dun cofacteur, ce
cofacteur va tre un ion mtallique ou un coenzyme.
I.
Coenzymes
Quand une enzyme fonctionne avec un coenzyme, on a un complexe,
dans ce complexe on va dfinir lenzyme proprement dite que lon
appelle apoenzyme,
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cette apoenzyme se fixe un coenzyme pour former un complexe
actif : un holoenzyme. Un coenzyme nest jamais de nature protique.
Souvent, ce sont des molcules organiques de petite taille par
rapport lenzyme. Trs souvent, ce sont des composs thermostables,
contrairement aux enzymes qui sont thermolabiles. Enfin, les
coenzymes ne sont jamais responsables de la spcificit enzymatique.
On peut dgager 3 grandes familles : I.1. Groupements prosthtiques
On parle de groupement prosthtique quand le coenzyme est li lenzyme
de faon covalente. Exp : Coenzymes flavinique FAD/FMN I.2.
Coenzymes vrais Dans ce cas, une trs petite molcule va assister les
chanes latrales de lenzyme lors de la catalyse (par exemple, le
phosphate de pyridoxal), en revanche la liaison lenzyme est faible.
I.3. Cosubstrats Un cosubstrat est faiblement li lapoenzyme, le
cosubstrat va pleinement participer la catalyse enzymatique. Exp :
Coenzymes pyridiniques NAD/NADP.
II.
Relations vitamines-coenzymes
Les vitamines sont des substances organiques, certains
organismes sont incapables den assurer la synthse, elles doivent
donc tre apportes par lalimentation. On les classe en se basant sur
leur solubilit : on va diffrencier les hydrosolubles des
liposolubles. Le plus souvent, ce sont les vitamines hydrosolubles
qui sont lorigine des coenzymes, toutefois certains coenzymes nont
pas de caractre vitaminique, par exemple lacide lipoque, le
coenzyme Q, les cytochromes
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