Les enzymes, des protéines actives dans la catalyse

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1. Qu'est-ce qu'une enzyme ?
• La cellule est une sorte d'usine chimique qui assure sa croissance et le maintien de ses structures et de ses fonctions en utilisant des matériaux et de l'énergie d'origine extérieure.
• Au sein des cellules, les différentes activités (mouvements, synthèses, transport, etc.) sont assurées par le couplage des réactions du catabolisme (dégradation), fournissant l'énergie nécessaire, avec celles de l'anabolisme (synthèse), nécessitant de l'énergie. Ce métabolisme cellulaire se déroule dans des conditions de température, de pression et de concentration des espèces chimiques qui ne permettent pas aux réactions chimiques de se produire rapidement.
Et pourtant les réactions du métabolisme cellulaire non seulement s'effectuent avec une vitesse appréciable, mais sont, de plus, orientées et coordonnées. Comment ? Grâce aux enzymes, qui sont des protéines à fonction catalytique : elles accélèrent, très souvent considérablement, la vitesse des réactions chimiques.
• Chaque enzyme est en outre doublement spécifique : elle est propre d'une part aux substrats impliqués dans la réaction, et d'autre part à la nature de la réaction chimique qui se produit entre eux. Comme toutes les protéines, les enzymes sont codées par des gènes. Dans chaque type de cellule s'exprime un répertoire particulier de gènes, donc d'enzymes, selon la spécialisation cellulaire. Les différents allèles sont à l'origine de différentes formes plus ou moins actives de la même enzyme.
2. Quelles sont les caractéristiques des enzymes ?
• Les enzymes ont les caractéristiques communes à toutes les protéines. Leur structure primaire est constituée d'un enchaînement covalent d'acides aminés selon une séquence dictée par celle de l'ADN du gène.
• Les enzymes se replient dans l'espace localement en structures secondaires (hélices, feuillets) et adoptent une configuration tridimensionnelle native, la structure tertiaire. Certaines, comme d'autres protéines (hémoglobine), comportent plusieurs chaînes protéiques formant des sous-unités : c'est la structure quaternaire.
• La stabilité des molécules d'enzymes dépend étroitement de la température, du pH et de la composition chimique du milieu. Ces paramètres influent également sur l'activité enzymatique elle-même : à basse température, l'activité enzymatique est inhibée réversiblement tandis que les hautes températures dénaturent irréversiblement la molécule en lui faisant perdre sa configuration native et ses fonctions. La fonction d'une enzyme est donc liée à sa structure tridimensionnelle.
3. Quelle est la relation entre structure et fonction d'une enzyme ?
• Les macromolécules enzymatiques comportent au moins une région où s'effectue la reconnaissance stéréospécifique avec les substrats et un site catalytique dont les acides aminés participent à la réaction. Les acides aminés du site catalytique sont souvent inclus dans le site de reconnaissance en un site actif.
• L'étude du site actif de nombreuses enzymes a montré que la liaison du substrat est assurée par la configuration tridimensionnelle du site de reconnaissance. Sa forme est en effet complémentaire de celle des substrats et possède des acides aminés aptes à se lier au substrat par des liaisons faibles (liaisons hydrogène). Ainsi, seules les molécules de substrat peuvent se lier à l'enzyme : c'est la spécificité du substrat.
• La fonction catalytique de l'enzyme est assurée par les radicaux de certains acides aminés qui sont donc responsables de la spécificité d'action de l'enzyme. Toute modification, même mineure, de la structure tridimensionnelle peut alors modifier l'activité de l'enzyme, voire l'abolir. Une fois la réaction effectuée entre les substrats, les produits sont libérés et l'enzyme se retrouve disponible pour lier de nouveau les molécules de substrat.
4. Comment les enzymes contribuent-elles à la réalisation du phénotype ?
• Le phénotype est constitué par l'ensemble de ses caractéristiques qui peuvent être morphologiques, physiologiques, cellulaires et moléculaires.
• Comme les enzymes assurent presque toutes les fonctions cellulaires, elles contribuent à la réalisation du phénotype aux différents niveaux d'organisation. Environ 4 000 enzymes différentes fonctionnent simultanément dans une cellule donnée et représentent l'expression du génotype de cette cellule. Les quelque 200 types cellulaires de l'organisme humain diffèrent par leur répertoire enzymatique.
• À l'échelle de l'organisme, le développement et l'entretien des fonctions sont également contrôlés par le génotype, notamment par l'intermédiaire des enzymes codées par les différents allèles.
• Les facteurs environnementaux jouent également un large rôle puisqu'ils peuvent modifier l'activité des enzymes comme celle des cellules et des organismes. Un même génotype peut conduire à des phénotypes différents selon l'environnement. En outre, un phénotype défavorable dans un environnement donné peut être favorable dans un environnement différent.
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