Facteurs Affectant l'Activité Enzymatique

Facteurs importants de la structure des enzymes

Les enzymes sont extrêmement spécifiques à leur substrat et ont un pouvoir catalytique élevé, ce qui signifie qu'elles peuvent augmenter considérablement le rythme de la réaction sans changer de substrat. L'activité, le fonctionnement et le potentiel d'une enzyme peuvent être affectés par diverses circonstances, notamment chimiques et physiques. L'activité enzymatique des enzymes protéiques peut être affectée en fonction de leur structure conformationnelle et de leur dénaturation.

Le processus catalytique réalisé par les enzymes se produit à un endroit spécifique de l'enzyme. Cette zone est connue sous le nom de site actif et ne représente qu'une petite partie de la taille globale de l'enzyme. Composé de segments de chaînes polypeptidiques, le site actif présente une structure tridimensionnelle.

La majorité des enzymes sont des protéines dotées de propriétés catalytiques nécessaires à la réalisation de diverses opérations. En raison de leur importance dans le soutien des processus vitaux, la régulation des enzymes est depuis longtemps un élément important du diagnostic clinique. Elles sont utilisées comme marqueurs biologiques (altération dans un milieu mesurable tel que le liquide tissulaire) pour diagnostiquer des maladies telles que le cancer et l'infarctus.

Le cycle catalytique d'une enzyme est expliqué ci-dessous :

1. Dans un premier temps, le substrat se lie au site actif de l'enzyme, s'y insérant. La forme de l'enzyme change à la suite de la fixation du substrat, ce qui fait qu'elle s'ajuste plus étroitement autour du substrat (ajustement induit).

2. Le site actif de l'enzyme, désormais proche du substrat, rompt les liaisons chimiques de ce dernier, formant un nouveau complexe enzyme-produit.

3. Enfin, les produits de la réaction sont libérés par l'enzyme, et l'enzyme libre est prête à se fixer sur une autre molécule du substrat, et ce cycle catalytique se répète à nouveau.

Combinaison de l'enzyme (E) et du substrat (S) de manière à produire un complexe enzyme-substrat très réactif (ES).

$\mathrm{E}+\mathrm{S}\to \mathrm{ES}$

La désintégration de la molécule du complexe pour donner le complexe enzyme-produit (EP).

$\mathrm{ES}\to \mathrm{EP}$

Ainsi, l'ensemble de l'action catalytique des enzymes se résume à :

$\mathrm{E}+\mathrm{S}\to \left[\mathrm{ES}\right]\to \left[\mathrm{EP}\right]\to \mathrm{E}+\mathrm{P}$

Modèle de serrure et de clé de Fischer

En 1894, Emil Fischer propose l'analogie du modèle de la serrure et de la clé pour illustrer l'action unique d'une enzyme avec un seul substrat. L'enzyme est la serrure, et le substrat est la clé. Seule la clé de la bonne taille (le substrat) passe par le trou de la serrure (le site actif de l'enzyme).

Les clés plus petites, plus grandes ou les dents des clés mal positionnées (molécules de substrat mal formées ou mal dimensionnées) ne s'insèrent pas dans la serrure (enzyme). Une clé ayant la bonne forme ne peut ouvrir qu'une serrure spécifique.

Théorie de l'ajustement induit

Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont pensé que la liaison enzyme-substrat s'effectuait de manière simple, selon le principe du "verrou et de la clé". Daniel Koshland a proposé le modèle de l'ajustement induit en 1958. C'est le modèle le plus accepté pour le complexe enzyme-substrat que le modèle "verrou et clé".

Selon cette théorie, la connexion initiale entre l'enzyme et le substrat est faible, mais ces interactions faibles provoquent des changements de conformation rapides dans l'enzyme, ce qui entraîne une liaison plus forte. En d'autres termes, lorsque l'enzyme et le substrat entrent en contact, une modification mineure de la structure de l'enzyme se produit, confirmant un arrangement parfait de la liaison entre l'enzyme et le substrat. Cette liaison dynamique renforce la capacité de l'enzyme à catalyser sa réaction.

Facteurs affectant l'activité enzymatique

L'activité d'une enzyme peut être affectée par ses facteurs environnementaux. La température, le pH, la concentration en substrat et les modulateurs sont des paramètres essentiels qui influencent la vitesse des réactions catalysées par les enzymes.

Enzyme concentration

L'activité d'une enzyme augmente lorsque la concentration de l'enzyme augmente. En effet, il y a plus d'enzymes disponibles pour se lier au substrat. À son tour, la vitesse de réaction augmente.

La réaction ne s'accélérera plus une fois que tous les substrats auront été liés à l'enzyme, car il n'y aura plus rien à quoi les nouvelles enzymes pourront se lier.

• Une augmentation de la concentration de l'enzyme augmentera la vitesse de réaction jusqu'à ce qu'elle atteigne un certain point, après quoi elle restera constante. Le nombre de sites actifs disponibles augmente au fur et à mesure que la concentration de l'enzyme augmente.

La vitesse de réaction est proportionnelle à la quantité d'enzyme présente. Par conséquent, nous voyons une ligne droite dans le graphique, où l'axe des x est la concentration de l'enzyme, et l'axe des y est la vitesse de réaction.

Concentration de substrat

L'activité d'une enzyme augmente avec la concentration du substrat. L'activité de l'enzyme augmente jusqu'à ce qu'elle atteigne une limite maximale.

En d'autres termes, les molécules d'enzymes sont complètement saturées par le substrat. Cela signifie que tous les sites actifs des enzymes sont occupés. Les molécules de substrat excédentaires ne réagiront pas tant que le substrat déjà lié aux enzymes n'aura pas réagi et n'aura pas été libéré ou libéré sans réagir.

Pour t'aider à visualiser, le taux de réaction augmente au début. Cependant, la vitesse de réaction atteint un plateau lorsque toutes les enzymes sont occupées. Pour une réaction catalysée par une enzyme, il existe généralement une relation hyperbolique entre la vitesse de réaction et la concentration en substrat.

Effet du pH sur la vitesse de réaction

Le pH a un impact sur l'activité enzymatique. Une courbe en forme de cloche apparaît lorsque l'activité enzymatique est représentée en fonction du pH. Chaque enzyme a un certain pH optimal auquel la vitesse de réaction est la plus rapide. Le pH optimal correspond au moment où l'activité d'une enzyme spécifique est à son maximum. L'activité de l'enzyme est fortement réduite en dessous et au-dessus du pH optimal, et à un pH élevé, l'enzyme devient complètement inactive.

Les groupes carboxyliques acides (COOH-) et les groupes aminés basiques (${\mathrm{NH}}_2$) se trouvent dans les enzymes. Par conséquent, la modification de la valeur du pH affecte les enzymes.

Pour la plupart des enzymes, le pH optimal pour l'activité enzymatique se situe entre 6 et 7.

Il existe cependant quelques exceptions.

Effets de la température sur la vitesse de réaction

Une plage de température optimale est nécessairepour maximiser l'activité de l'enzyme. Les températures supérieures ou inférieures à la température optimale entraînent une diminution de l'activité de l'enzyme et peuvent conduire à une dénaturation (lorsque la température est trop élevée).

Lestempératures comprises entre 37 et 45$°\mathrm{C}$ sont considérées comme la température optimale pour la plupart des enzymes. À cette température donnée, la plupart des enzymes deviennent plus actives. Des températures extrêmement élevées peuvent faire perdre à une enzyme sa forme dénaturée et finir par cesser de fonctionner. La majorité des enzymes du corps humain ont une température optimale de 37 °C et sont dénaturées ou détruites à des températures plus élevées.

Il existe cependant quelques exceptions, par exemple chez les extrêmophiles. Peu d'enzymes, comme l'ADN polymérase Taq que l'on trouve dans les bactéries thermophiles, sont actives à des températures allant jusqu'à 100°C.

Inhibiteurs et activateurs enzymatiques

Lesactivateurs (également appelés coenzymes), tels que les ions métalliques, sont nécessaires pour une activité enzymatique optimale.

L'ion chlorure, par exemple, est nécessaire au fonctionnement de l'amylase. L'amylase est une enzyme digestive sécrétée par le pancréas et les glandes salivaires que l'on retrouve également dans d'autres tissus en très petites quantités. Les ions métalliques ou cofacteurs, par exemple, sont nécessaires pour réguler ou initier l'activité catalytique de plusieurs enzymes.

Les inhibiteurs d'enzymes peuvent être utilisés comme médicaments dans le traitement de diverses maladies. Certains médicaments antimicrobiens sont des inhibiteurs d'enzymes qui désactivent les enzymes nécessaires à la survie des agents pathogènes.

Selon la cinétique d'inhibition, l'inhibition des enzymes peut être classée en inhibition réversible ou irréversible.

Inhibiteurs irréversibles

Les inhibiteurs irréversibles se lient à une enzyme par une forte liaison covalente. Ces inhibiteurs peuvent agir sur le site actif, à proximité de celui-ci, ou très loin. Par conséquent, l'ajout de substrat peut ne pas suffire à les éliminer. Dans un cas comme dans l'autre, la structure de base de l'enzyme est modifiée au point qu'elle ne fonctionne plus.

En d'autres termes, l'inhibiteur se lie très solidement à l'enzyme et ne s'en dissocie pas.

Inhibiteurs réversibles

Dans l'inhibition réversible, l'inhibiteur se dissocie rapidement du complexe enzyme-inhibiteur. Il existe trois types d'inhibitions réversibles : compétitives, non compétitives et non compétitives (anticompétitives).

Inhibition compétitive

Lorsqu'un inhibiteur et un substrat se lient à l'enzyme de manière compétitive, on parle d'inhibition compétitive. Toute molécule dont la structure chimique et la géométrie moléculaire sont similaires à celles du substrat peut être utilisée comme inhibiteur compétitif. Les contacts entre l'inhibiteur et l'enzyme dans le site actif peuvent être forts. Pourtant, aucune réaction ne se produira puisque l'inhibiteur n'a pas la même réactivité chimique que l'enzyme, ce qui finit par diminuer le taux de réaction. L'inhibition compétitive est généralement temporaire et réversible.

Inhibiteurs non compétitifs

Les inhibiteurs non compétitifs se lient à l'enzyme à un endroit différent, ce qui entraîne un changement de forme du site actif et empêche le substrat de s'y lier. Lors d'une inhibition non compétitive, l'enzyme peut former des complexes soit avec le substrat, soit avec l'inhibiteur, soit avec les deux. L'inhibition allostérique est une inhibition non compétitive parce que l'inhibiteur se lie au site allostérique plutôt qu'au site actif. La liaison à un site allostérique entraîne une distorsion de la structure tertiaire tridimensionnelle de l'enzyme, ce qui l'empêche de catalyser le processus.

Parce qu'ils dénaturent efficacement les enzymes, certains inhibiteurs non compétitifs sont irréversibles et permanents.

Inhibition non compétitive

L'inhibition non compétitive est un phénomène rare. Un inhibiteur non compétitif se lie à l'enzyme et augmente l'affinité de liaison du substrat, mais le complexe enzyme-inhibiteur-substrat qui en résulte réagit lentement pour créer le produit. Il est à noter qu'avant de se lier à l'inhibiteur, l'inhibition non compétitive nécessite la création d'un complexe enzyme-substrat.