(en) Représentation d'uneα-glucosidase (PDB1OBB[1]) avec à sa droite lesubstrat — ici, lemaltose — au-dessus des produits de réaction — deux molécules deglucose.Diagramme d'une réaction catalysée montrant l'énergieE requise à différentes étapes suivant l'axe du tempst. Les substrats A et B en conditions normales requièrent une quantité d'énergieE1 pour atteindre l'état de transitionA…B, à la suite duquel le produit de réaction AB peut se former. L'enzymeE crée un microenvironnement dans lequel A et B peuvent atteindre l'état de transitionA…E…B moyennant une énergie d'activationE2 plus faible. Ceci accroît considérablement lavitesse de réaction.Action d'une enzyme sur l'énergie d'activation d'uneréaction chimique.
Uneenzyme est uneprotéine dotée de propriétéscatalytiques. Presque toutes lesbiomolécules capables de catalyser desréactions chimiques dans lescellules sont des enzymes ; certaines biomolécules catalytiques sont cependant constituées d'ARN et sont donc distinctes des enzymes : ce sont lesribozymes.
Une enzyme agit en abaissant l'énergie d'activation d'une réaction chimique, ce qui accroît lavitesse de réaction. L'enzyme n'est pas modifiée au cours de la réaction. Les molécules initiales sont lessubstrats de l'enzyme, et les molécules formées à partir de ces substrats sont les produits de la réaction. Presque tous lesprocessus métaboliques de lacellule ont besoin d'enzymes pour se dérouler à une vitesse suffisante pour maintenir la vie. Les enzymes catalysent plus de 5 000 réactions chimiques différentes[2]. L'ensemble des enzymes d'une cellule détermine lesvoies métaboliques possibles dans cette cellule. L'étude des enzymes est appeléeenzymologie.
Les enzymes permettent à des réactions de se produire des millions de fois plus vite qu'en leur absence. Un exemple extrême est ladécarboxylase d'orotidine-5'-phosphate, qui catalyse en quelquesmillisecondes une réaction qui prendrait, en son absence, plusieurs millions d'années[3],[4]. Comme tous les catalyseurs, les enzymes ne sont pas modifiées au cours des réactions qu'elles catalysent, et ne modifient pas l'équilibre chimique entre substrats et produits. Les enzymes diffèrent en revanche de la plupart des autres types de catalyseurs par leur très grandespécificité. Cette spécificité découle de leurstructure tridimensionnelle. De plus, l'activité d'une enzyme est modulée par diverses autres molécules : uninhibiteur enzymatique est une molécule qui ralentit l'activité d'une enzyme, tandis qu'un activateur de cette enzyme l'accélère ; de nombreuxmédicaments etpoisons sont des inhibiteurs enzymatiques. Par ailleurs, l'activité d'une enzyme décroît rapidement en dehors de sa température et de sonpH optimums. De plus, une enzyme a la caractéristique d'être réutilisable.
Les enzymes sont généralement desprotéinesglobulaires qui agissent seules, comme lelysozyme, ou en complexes de plusieurs enzymes ousous-unités, à l'instar ducomplexeα-cétoglutarate-déshydrogénase. Comme toutes les protéines, les enzymes sont constituées d'une ou plusieurschaînes polypeptidiquesrepliées pour former une structure tridimensionnelle correspondant à leurétat natif. Laséquence enacides aminés de l'enzyme détermine la structure de cette dernière, structure qui, à son tour, détermine les propriétéscatalytiques de l'enzyme[5]. Bien que ce soit la structure d'une enzyme qui détermine sa fonction, il n'est pas encore possibleà ce jour[Quand ?] de prédire l'activité d'une nouvelle enzyme en ne connaissant que sa structure[6]. La structure des enzymes est altérée (dénaturée) lorsqu'elles sont chauffées ou mises en contact avec des dénaturants chimiques, ce qui a généralement pour effet de les inactiver.
Les enzymes sont des molécules bien plus grandes que leurssubstrats. Leur taille varie de 62 résidus pour lemonomère de4-oxalocrotonate tautomérase[7] à plus de 2 000 résidus pour lasynthase d'acide grasanimale[8]. Seule une toute petite partie de l'enzyme — entre deux et quatre résidus le plus souvent — est directement impliquée dans la catalyse, ce qu'on appelle le site catalytique. Ce dernier est situé à proximité d'un ou plusieurs sites de liaison, au niveau desquels les substrats sont liés et orientés afin de permettre la catalyse de la réaction chimique. Le site catalytique et les sites de liaison forment lesite actif de l'enzyme. Le reste de la protéine sert à maintenir la configuration du site actif et à y générer les conditions optimales pour le déroulement de la réaction.
Dans certains cas, la catalyse ne fait intervenir aucun des résidus d'acides aminés de l'enzyme mais plutôt uncofacteur lié à cette enzyme. La structure des enzymes peut également contenir un site de liaison pour uneffecteur allostérique qui provoque unchangement conformationnel activant ou inhibant l'activité enzymatique.
Les enzymes doivent tout d'abord se lier à leurssubstrats avant de pouvoircatalyser touteréaction chimique. Les enzymes sont plus ou moins spécifiques en ce qui concerne à la fois les substrats auxquels elles peuvent se lier et les réactions qu'elles sont susceptibles de catalyser. Cette spécificité résulte de la configuration de leurs sites de liaison, qui sont des poches présentant une complémentarité de forme ainsi que de distribution spatiale des charges électriques et des propriétéshydrophile/hydrophobe par rapport à celles du substrat. Les enzymes peuvent ainsi faire la différence entre des molécules très semblables, ce qui assure leurchimiosélectivité, leurrégiosélectivité et leurstéréospécificité[9].
Certaines des enzymes parmi les plus spécifiques interviennent dans laréplication de l'ADN et l'expression génique. Certaines de ces enzymes sont pourvues d'un mécanisme de « correction d'épreuve » : c'est le cas desADN-polymérases, qui sont capables de corriger leurs erreurs de réplication — paires de bases incorrectes — avant de passer aunucléotide suivant[10]. Ce processus en deux étapes permet d'atteindre une fidélité particulièrement élevée, avec moins d'une erreur sur 100 millions de réactions chez lesmammifères. Des mécanismes semblables existent également dans lesARN-polymérases[11], lesaminoacyl-ARNt-synthétases[12] et lesribosomes[13].A contrario, certaines enzymes présentent une ou plusieurs activités dites « depromiscuité », c'est-à-dire qu'elles peuvent catalyser un ensemble de réactions apparentées sur un ensemble de substrats ayant des implications physiologiques diverses. De nombreuses enzymes possèdent des activités catalytiques mineures qui peuvent se manifester fortuitement et être le point de départ pour la sélection de nouvelles fonctionnalités au cours de l'évolution[14],[15].
Afin d'expliquer la spécificité des enzymes dans la sélection des réactions chimiques qu'elles sont susceptibles de catalyser, le chimiste allemandEmil Fischer proposa en 1894 que l'enzyme et le substrat d'une réaction possèdent une géométrie complémentaire permettant au substrat de s'emboîter exactement dans l'enzyme[16]. Cette représentation est souvent appelée « modèle de la serrure et de la clef ». Ce modèle rend compte de la spécificité des enzymes mais ne permet pas d'expliquer comment les enzymes parviennent à stabiliser l'état de transition au cours des réactions.
Ce modèle est aujourd'hui considéré comme obsolète[17],[18], car il simplifie beaucoup trop la réalité. En effet, il ne serait pas possible que les enzymes aient la même conformation lorsqu'elles sont liées à leur substrat que lorsqu'elles n'y sont pas liées.
Le biochimiste américainDaniel Koshland proposa en 1958 le modèle dit de l'ajustement induit (induced fit en anglais) comme adaptation du modèle de la serrure et de la clef pour tenir compte du fait que les enzymes sont des molécules flexibles : plutôt qu'imaginer l'emboîtement d'un substrat dans une enzyme rigide, Koshland considérait que l'interaction entre le substrat et l'enzyme remodelait en permanence le site actif, et ce tout au long de l'établissement de la liaison[19].
Dans certains cas, comme lesglycosides-hydrolases, le substrat lui-même change légèrement de forme lorsqu'il se lie au site actif de l'enzyme[20].
Le site actif continue de changer de configuration jusqu'à ce que le substrat soit entièrement lié, et ce n'est qu'alors que la distribution des charges et la géométrie finale peuvent être déterminées.
Les enzymes peuvent accélérer des réactions chimiques de plusieurs façons, mais toutes passent par l'abaissement de l'énergie d'activation, notéeEa :
En stabilisant l'état de transition :
l'enzyme génère un environnement dans lequel la distribution de charges est complémentaire de celles de l'état de transition afin de le stabiliser, donc d'abaisser sonenthalpie libre[21], notéeG ;
En ouvrant un chemin réactionnel alternatif :
l'enzyme peut réagir temporairement avec le substrat et former un intermédiaire covalent ayant un état de transition de plus basse énergie,
l'enzyme peut permettre l'utilisation d'un autre chemin réactionnel, comportant la formation de plus d'états de transitions, mais avec des énergies d'activation plus basses ;
En déstabilisant l'état fondamental du substrat :
par déformation du substrat lié dans leur état de transition afin de réduire l'énergie nécessaire pour atteindre cet état[22],
par une orientation du substrat dans une configuration qui réduit la variation d'entropie de la réaction ; la contribution de ce mécanisme à la catalyse est assez faible[23].
Une enzyme peut recourir à plusieurs de ces mécanismes simultanément. Ainsi, lespeptidases telles que latrypsine mettent en œuvre une catalyse covalente partriade catalytique, stabilisent la distribution des charges électriques de l'état de transition à l'aide d'untrou oxyanion, et terminent l'hydrolyse en orientant spécifiquement unemolécule d'eau.
Les enzymes ne sont pas des structures rigides et statiques. Elles sont au contraire le siège de tout un ensemble de mouvements internes, qu'il s'agisse du mouvement de résidus d'acides aminés individuels, d'un groupe de résidus formant un élément de la structure secondaire, voire d'un domaine entier de la protéine. Ces mouvements donnent naissance à un ensemble de structures légèrement différentes les unes des autres qui sont à l'équilibre en perpétuelle interconversion les unes avec les autres. Différents états conformationnels de l'enzyme peuvent par exemple être associés à différentes phases de son activité chimique. Ainsi, différentes conformations de ladihydrofolate réductase sont associées au cours ducycle catalytique respectivement à la liaison avec le substrat, à la catalyse, à la libération du cofacteur, et enfin à la libération du produit[24].
Les sites de régulation allostérique sont des sites de liaison distincts du site actif qui peuvent interagir avec des molécules de l'environnement cellulaire, appelées dans ce cas effecteurs allostériques. La liaison de ces molécules avec ce site induit unchangement conformationnel ou une modification de la dynamique interne de l'enzyme, qui altèrent les propriétés du site actif et modifient par conséquent la vitesse de réaction de l'enzyme[25]. Ces changements peuvent activer ou inhiber des enzymes. Les interactions allostériques avec desmétabolites en amont ou en aval d'unevoie métabolique à laquelle participe l'enzyme provoquent des boucles de rétrorégulation permettant de moduler l'activité de l'enzyme en fonction de l'intensité du flux de métabolites[26].
Certaines enzymes n'ont besoin d'aucun composant supplémentaire pour être pleinement actives. D'autres ont au contraire besoin d'interagir avec desespèces chimiques nonprotéiques, appeléescofacteurs, pour être actives. Ces cofacteurs peuvent être inorganiques tels que desionsmétalliques ouclusterfer-soufre, ou bien descomposés organiques tels qu'uneflavine ou unhème. Les cofacteurs organiques peuvent être descoenzymes, qui sont libérées dusite actif de l'enzyme au cours de la réaction, ou desgroupements prosthétiques, qui demeurent étroitement liés à l'enzyme. Certains groupes prosthétiques organiques sont liés à leur enzyme parcovalence, comme c'est le cas de labiotine pour des enzymes telles que lapyruvate-carboxylase[28].
L'anhydrase carbonique est un exemple d'enzyme à cofacteur dezinc lié à son site actif[29]. Ces ions ou molécules étroitement liées à l'enzyme se trouvent généralement dans le site actif et interviennent dans lacatalyse. Ainsi, on trouve fréquemment une flavine ou un hème dans lesréactions d'oxydoréduction
Les enzymes dépourvues du cofacteur qui les rend actives sont appeléesapoenzymes, ouapoprotéines. Une enzyme liée à son ou ses cofacteurs est appeléeholoenzyme. On appelle également holoenzymes les complexes enzymatiques formés de plusieurssous-unités pour lesquels toutes les sous-unités requises pour l'activité enzymatique sont présentes ; on emploie souvent ce terme pour lesADN-polymérases.
Les coenzymes sont depetites moléculesorganiques qui peuvent être liées à l'enzyme de façon assez lâche ou, au contraire, très étroite. Elles transportent desgroupes fonctionnels ou desrésidus d'une enzyme à une autre. LeNAD+, leNADPH et l'ATP sont des coenzymes. Certaines coenzymes telles que lariboflavine, lathiamine et l'acide folique sont desvitamines, c'est-à-dire des composés qui ne peuvent être synthétisés par l'organisme et doivent être absorbés tels quels par l'alimentation. Parmi les groupes chimiques transportés par des coenzymes, on trouve l'anion hydrure H− transporté par le NADH et le NADPH, le groupephosphate –OPO32− transporté par l'ATP, le groupeacétyle –COCH3 transporté par lacoenzyme A, les groupesaldéhyde –CHO, méthényle –CH= ouméthyle –CH3 portés par l'acide folique, ou encore le groupe méthyle porté par laS-adénosylméthionine (SAM).
Dans la mesure où les coenzymes sont modifiées au cours des réactions chimiques catalysées par les enzymes, il peut être utile de les considérer comme des substrats particuliers partagés par de nombreux types d'enzymes. Ainsi, on connaît plus de 1 000 enzymes utilisant le NAD+ comme coenzyme.
Les coenzymes sont régénérées continuellement et leur concentration est maintenue à un niveau constant dans la cellule. Par exemple, le NADPH est régénéré par lavoie des pentoses phosphates et laS-adénosylméthionine est régénérée par laméthionine-adénosyltransférase. Cette régénération permanente signifie que de petites quantités de coenzymes peuvent être utilisées très intensivement. Par exemple, lecorps humain utilise et régénère son propre poids en ATP chaque jour[30].
Comme c'est le cas pour tous lescatalyseurs, les enzymes ne modifient pas la position de l'équilibre chimique d'une réaction. La présence d'une enzyme a simplement pour conséquence d'accélérer la réaction, qui se déroule dans le même sens. Ainsi, l'anhydrase carbonique, qui catalyse une réaction réversible, agit dans l'un et l'autre sens en fonction de la concentration relative de ses réactifs :
CO2 +H2O →H2CO3 dans lestissus, où la concentration du CO2 est élevée ;
La vitesse de réaction dépend de l'énergie d'activation nécessaire pour atteindre, à partir dessubstrats, l'état de transition, qui évolue ensuite vers la formation des produits de réaction. Les enzymes accélèrent la vitesse de réaction en abaissant l'énergie d'activation de l'état de transition. Elles commencent par établir une liaison enzyme-substrat (ES) de faible énergie, stabilisent par la suite l'état de transition (ES‡) de sorte qu'il requiert moins d'énergie pour se former, et font évoluer cet état de transition vers un complexe enzyme-produit (EP) qui se dissocie spontanément.
De plus, les enzymes peuvent coupler deux ou plusieurs réactions afin de permettre à une réaction thermodynamiquement défavorisée de se produire à l'aide d'une réaction thermodynamiquement favorisée de telle sorte que l'énergie combinée des produits de deux réactions soit inférieur à l'énergie combinée de leurs substrats. C'est très souvent le cas de l'hydrolyse de l'ATP, qui est généralement couplée à d'autres réactions chimiques, notamment de l'anabolisme (biosynthèses).
Lacinétique enzymatique étudie la façon dont les enzymes se lient à leurssubstrats et les convertissent en produits de réaction. Les données quantitifant lacinétique d'une enzyme sont généralement obtenues à partir dedosages enzymatiques(en). En 1913, l'AllemandLeonor Michaelis et la CanadienneMaud Menten proposèrent une théorie quantitative de la cinétique enzymatique, appelée depuiséquation de Michaelis-Menten[31]. Leur principale contribution a été de concevoir les réactions enzymatiques en deux étapes. Tout d'abord, les substrats se lient réversiblement à l'enzyme, formant un complexe enzyme-substrat. Puis l'enzyme catalyse la réaction chimique et libère les produits de réaction. Ces travaux ont ensuite été poursuivis par les BritanniquesGeorge Edward Briggs etJohn B. S. Haldane, qui en dérivèrent les équations cinétiques encore largement utilisées de nos jours[32].
La vitesse d'une enzyme dépend des conditions de la solution et de laconcentration en substrats. Lavitesse maximumVmax d'une réaction enzymatique peut être déterminée en augmentant la concentration [S] en substrats jusqu'à ce que la vitesse de formation des produits de réaction présente un plateau, comme représenté ci-contre. Cette saturation s'explique par le fait que plus la concentration en substrats augmente, plus ce substrat se lie aux enzymes, de sorte que la concentration en complexes enzyme-substrats augmente et la concentration en enzyme libre diminue ; la vitesse maximum de réaction correspond à la situation où toutes les enzymes sont liées à leurs substrats de sorte qu'il ne reste plus d'enzyme libre ayant des sites de liaison à occuper.
Outre la vitesse maximumVmax d'une enzyme, la quantité de substrat nécessaire pour atteindre une vitesse de réaction donnée est une autre grandeur importante caractérisant l'activité d'une enzyme. Cette quantité est mesurée par laconstante de MichaelisKM, qui représente la concentration de substrat nécessaire pour que l'enzyme atteigne la moitié deVmax. Chaque enzyme possède généralement uneKm donnée pour chacun de ses substrats. La vitessev de réaction à concentration [S] de substrat, correspondant à l'augmentation de la concentration [P] en produit, est alors donnée par l'équation :
.
Laconstante catalytique, notéekcat, également appeléeturnover number (TON), représente le nombre de molécules de substrat converties en produits par site actif et par seconde. Elle est liée à la vitesse maximumVmax et à la concentration [E] de l'enzyme par l'équationVmax =kcat [E].
L'activité enzymatique est mesurée enkatals,unité SI définie par1kat = 1 mols−1, ou, plus fréquemment, enunités enzymatiques, définies par1 U =1µmol·min-1 : ces grandeurs représentent la quantité d'enzyme nécessaire pour traiter une quantité unitaire desubstrat par unité de temps, dans des conditions opératoires qui doivent être précisées avec la mesure. On peut en déduire l'activité spécifique de l'enzyme, qui représente son activité par unité de masse, exprimée par exemple en U·mg-1.
L'efficacité d'une enzyme peut être exprimée en termes dekcat /KM, qui représente la constante de spécificité. Dans la mesure où elle reflète à la fois l'affinité pour les substrats et l'efficacité de la catalyse, elle est utile pour comparer des enzymes entre elles ou pour comparer la même enzyme par rapport à différents substrats.
Mais la plupart des enzymes ont des performances moindres. Une enzyme« moyenne » a unde l'ordre de 105M−1 s−1 et ≈ 10 s−1[33].
La cinétique de Michaelis-Menten repose sur laloi d'action de masse, qui dérive de l'hypothèse que ladiffusion de la matière est libre et que les collisions entre particules sont aléatoires et décrites par lathermodynamique. Cependant, de nombreux processus biochimiques ou cellulaires s'écartent significativement de ces conditions en raison de la concentration très élevée des espèces chimiques dans lecytosol qui restreignent leur liberté de mouvement[34]. La cinétique de Michaelis-Menten a fait l'objet d'extensions récentes qui tentent de tenir compte de ces effets[35].
Uninhibiteur compétitif peut se lier à l'enzyme en empêchant ses substrats de le faire[36]. Il s'agit souvent d'une molécule qui ressemble à l'un des substrats et prend sa place sur l'un des sites de liaison mais sans que l'enzyme puisse catalyser la réaction chimique avec cet inhibiteur. Ainsi, leméthotrexate, unanticancéreux, est un inhibiteur compétitif de ladihydrofolate-réductase, qui catalyse la réduction dudihydrofolate entétrahydrofolate. Ce type d'inhibition peut être contourné par une concentration élevée en substrat. Il peut également s'agir d'une molécule qui se lie sur un autre site de l'enzyme et induit deschangements conformationnels qui modifient les propriétés du site de liaison au substrat pareffet allostérique. En conséquence, l'affinité de l'enzyme pour ses substrats diminue et saconstante de MichaelisKM augmente, tandis que savitesse maximumVmax demeure inchangée.
L'acide folique (à gauche, unecoenzyme) et leméthotrexate (à droite, unanticancéreux) présentent une structure moléculaire très semblable (les différences sont représentées en vert). Cette similitude structurelle fait du second un inhibiteur compétitif du premier.
Uninhibiteur non compétitif se lie à l'enzyme sur un site indépendant des sites de liaison aux substrats. Ceux-ci se lient donc à l'enzyme avec une affinité inchangée, de sorte que laconstante de MichaelisKM demeure inchangée. Cependant, l'inhibiteur réduit l'efficacité de l'enzyme, c'est-à-dire saconstante catalytiquekcat, et, par conséquent, savitesse maximumVmax. Contrairement à l'inhibition compétitive, l'inhibition non compétitive n'est pas réduite par l'augmentation de la concentration du substrat.
Uninhibiteur incompétitif ne peut se lier qu'au complexe enzyme-substrat et non à l'enzyme seule. Ce type d'inhibiteurs est par conséquent d'autant plus efficace que la concentration en substrats est élevée. Le complexe enzyme-substrat-inhibiteur est inactif et ne peut catalyser la conversion des substrats en produits. Ce type d'inhibition demeure rare[37].
Uninhibiteur mixte se lie à un siteallostérique distinct du site de liaison des substrats sur l'enzyme, et ces deux liaisons interagissent l'une sur l'autre. La fonctionnalité de l'enzyme est réduite mais pas supprimée lorsqu'elle est liée à l'inhibiteur. Ce type d'inhibiteur ne suit pas l'équation de Michaelis-Menten.
Chez de nombreux êtres vivants, lesinhibiteurs enzymatiques interviennent dans le cadre d'un mécanisme général derétroactionmétabolique. Lorsqu'une molécule est produite en excès, elle peut agir comme inhibiteur de l'enzyme qui engage lavoie métabolique produisant cette molécule, ce qui a pour effet d'en réduire la production et d'en maintenir la concentration physiologique à un niveau convenable. Il s'agit d'une forme de rétraction négative. Des voies métaboliques majeures telles que lecycle de Krebs utilisent des mécanismes de ce type.
Plusieurs enzymes peuvent travailler ensemble dans un ordre défini pour former desvoies métaboliques : dans une telle configuration, un produit d'une enzyme devient unsubstrat de l'enzyme suivante. Il est possible que plusieurs enzymes catalysent parallèlement la même réaction ; ceci permet des modes de régulation plus complexes avec, par exemple, une faible constante d'activité pour une enzyme mais une seconde enzyme pouvant atteindre un niveau d'activité élevé lorsqu'elle est activée[48].
Les enzymes déterminent les étapes des voies métaboliques. En l'absence d'enzymes, le métabolisme n'emprunterait pas les mêmes chemins et ne pourrait pas être régulé afin d'être en cohérence avec les besoins de la cellule. La plupart des voies métaboliques principales du métabolisme sont régulées au niveau de quelques étapes clés, généralement au niveau d'enzymes qui requièrent l'hydrolyse de l'ATP. Cette réaction étant fortementexothermique (c'est-à-dire qu'elle s'accompagne d'unevariation d'enthalpie libre élevée), elle peut être couplée à uneréaction endothermique (c'est-à-dire s'accompagnant d'une variation d'enthalpie libre négative) afin de la rendre thermodynamiquement favorable.
Les enzymes peuvent être activées ou inhibées par d'autres molécules. Le ou les produits finaux d'unevoie métabolique sont souvent desinhibiteurs de l'une des premières enzymes de cette voie, généralement la première enzyme qui catalyse une étape irréversible, ce qui régule la quantité de produit final ; il s'agit d'un mécanisme de rétroaction, dans la mesure où la quantité de produit final est régulée par la propre concentration de ce produit. La rétroaction permet d'ajuster efficacement le niveau debiosynthèse d'un ensemble demétabolites intermédiaires en fonction des besoins de la cellule, en évitant de produire un excès de molécules qui serait perdu et réduirait l'efficacité globale du métabolisme cellulaire.
Le clivage d'unechaîne polypeptidique est un autre exemple de modification post-traductionnelle. Lachymotrypsine, unepeptidase digestive, est produite dans lepancréas sous une forme inactive appeléechymotrypsinogène et transportée sous cette forme jusque dans l'estomac, où elle est activée. Ceci permet d'éviter que la chymotrypsine active ne digère d'autrestissus avant de parvenir dans l'estomac. Ce type de précurseur inactif d'une enzyme est unzymogène.
Dans la mesure où un contrôle très étroit de l'activité enzymatique est essentiel pour l'homéostasie de l'organisme, tout dysfonctionnement (mutation, surproduction, sousproduction ou absence) d'une seule enzyme critique peut provoquer unemaladie génétique. Le dysfonctionnement d'un seul type d'enzyme parmi les milliers ducorps humain peut être mortel : c'est par exemple le cas d'une déficience enhexosaminidase, responsable de lamaladie de Tay-Sachs[54].
Des maladies peuvent résulter d'autres types de dysfonctionnements enzymatiques lorsque ces derniers affectent les enzymes assurant laréparation de l'ADN, ce qui provoque des mutations dans lescellules germinales. De tels défauts enzymatiques sont davantage susceptibles de provoquer descancers parce que les cellules deviennent alors plus sensibles aux mutations affectant leurgénome. La lente accumulation de telles mutations peut alors conduire à l'apparition de cancers. Un exemple de tels syndromes cancéreux héréditaires est lexeroderma pigmentosum, qui conduit à l'apparition d'uncancer de la peau à la suite d'une exposition même minime à la lumièreultraviolette[59].
Certaines enzymes sont utilisées dans l'industrie chimique et pour d'autres applications industrielles lorsque descatalyseurs très spécifiques sont nécessaires. Les enzymes naturelles sont cependant assez limitées du point de vue des réactions qu'elles sont capables de catalyser, car il s'agit de réactions spécifiques aumétabolisme des êtres vivants, et non de l'industrie chimique en général ; les enzymes sont également actives dans les conditionsphysico-chimiques physiologiques des organismes dont elles sont issus, conditions qui diffèrent souvent de celles mises en œuvre dans le cadre de procédés industriels. Par conséquent, legénie protéique(en) est un domaine de recherche actif qui vise à développer de nouvelles enzymes dotées de propriétés innovantes, que ce soit par conception rationnelle ou par évolutionin vitro[60],[61]. Depuis le début du siècle, des enzymes ont ainsi pu être conçues de manière entièrement artificielle afin de catalyser des réactions chimiques qui ne se produisent pas naturellement[62].Bien que les procédés industriels catalysés par des enzymes soient très efficaces, certaines enzymes dépendent de cofacteurs nicotinamides (NADH/NAD+, NADP/NAPH). En raison du prix élevé de ces cofacteurs, ces procédés ne seraient pas économiquement compétitifs. Dans un passé récent, certains composés synthétiques ont été identifiés comme des homologues biomimétiques très prometteurs des cofacteurs naturels[63].
Le tableau ci-dessous résume quelques applications industrielles de certaines enzymes courantes.
La première enzyme, ladiastase, a été isolée en 1833 parAnselme Payen etJean-François Persoz[78]. Après avoir traité un extrait aqueux demalt à l'éthanol, ils précipitèrent une substance sensible à la chaleur et capable d'hydrolyser l'amidon, d'où son nom dediastase forgé à partir dugrec ancienδιάστασις /diástasis désignant l'action de cliver. Il s'agissait en réalité d'uneamylase.
Quelques décennies plus tard, alors qu'il étudiait lafermentation alcoolique du sucre par unelevure,Louis Pasteur conclut qu'un principe actif — qu'il appelaferment — contenu dans la levure était responsable de cette fermentation. Il considérait que cette substance n'était active qu'au sein d'une cellule vivante. Pasteur écrivit[80],[81] :
« la fermentation alcoolique est un acte en corrélation avec la vie et l'organisation des cellules de levure, et non avec la mort ou la putréfaction ; que ce n'est pas non plus un phénomène de contact, cas dans lequel la transformation du sucre s'accomplirait sans rien lui abandonner ni rien lui prendre. »
En 1877, le physiologiste allemandWilhelm Kühne (1837–1900) introduisit le termeenzyme en référence à ce processus, dugrec ancienἔνζυμον /énzumon forgé à partir de la prépositionἐν /en, « dans » et deζύμη /zúmê, « levain ». Le motenzyme désigna par la suite les substances actives non vivantes telles que lapepsine, tandis que le motferment était utilisé en référence à l'activité chimique produite par des êtres vivants.
En 1883, le biologiste et chimiste françaisAntoine Béchamp publiaLes microzymas, ouvrage dans lequel il théorisait son concept de « microzymes(en) » comme constituants ultimes de toute matière vivante ; il y employait à cette occasion le termezymase.
Le chimiste allemandEduard Buchner publia son premier article sur l'étude des extraits de levure en 1897. Au cours d'une série d'expériences à l'université Humboldt de Berlin, il découvrit que le sucre pouvait être fermenté par des extraits de levure même en l'absence de toute cellule de levure dans le mélange, et reçut en 1907 leprix Nobel de chimie pour sa découverte de la fermentation sans cellule vivante[82]. Il appelazymase l'enzyme responsable de la fermentation, reprenant la construction du nom des enzymes en se référant au processus qu'elles catalysent auquel est adjoint le suffixe-ase, suivant en cela les recommandations d'Émile Duclaux quelques années plus tôt.
Le fait que des enzymes puissent être cristallisées permit d'établir leur structure tridimensionnelle parcristallographie aux rayons X. Ceci fut réalisé pour la première fois avec lelysozyme, une enzyme présente dans leslarmes, lasalive et leblanc d'œuf quidigère l'enveloppe de certainesbactéries : sa structure fut résolue par une équipe dirigée parDavid Chilton Phillips et publiée en 1965[86]. L'établissement à haute résolution de la structure du lysozyme marqua les débuts de labiologie structurale et de l'étude du fonctionnement des enzymes à l'échelle atomique[87].
Les noms d'enzymes sont presque tous du genre féminin ; lelysozyme et lesribozymes font exception, bien que le suffixe-zyme provienne dugrec ancienζύμη /zúmê, « levain », qui était du genre féminin.
Le motenzyme était originellement (en1897) lui-même employé au féminin, par exemple dans le Bulletin de la société chimique ou celui de l'Académie des sciences, etc.)[90]. Selon le Larousse, il est féminin ou, parfois masculin[91], ainsi que ses composés (par exemplecoenzyme[92], de même pour letrésor de la langue française, mais l'usage fait qu'il est de plus en plus utilisé au masculin. Il l'aurait été par écrit pour la première fois en 1900 par un néerlandais écrivant en français, puis par les chimistes français Bourquelot et Herissey, puis de plus en plus souvent entre 1925 et 1940. En 1957 alors que déjà les articles scientifiques n'utilisent presque plus que le masculin, les académiciens duComité du langage scientifique se penchent sur le sujet, décidant d'abord du féminin. Mais dans une pétition 257 signataires protestent contre ce choix, plaidant au contraire pour l'emploi du masculin[90]. La pétition a fait remettre en cause la décision de l'Académie, qui en 1968 continuait encore à débattre des arguments grammaticaux et de la tendance populaire à utiliser le genre masculin. Selon l'archiviste etpaléographeEugène-Humbert Guitard (en 1968)« sous l'influence de l'anglais, des scientifiques de plus en plus nombreux font et feront d'enzyme un masculin »[90].
Enzyme de la transformation alimentaire : enzyme employé pour contrôler la texture, le goût, l’aspect ou la valeur nutritive des aliments. Les amylases dégradent les complexes polysaccharidiques en sucres plus simples ; et les protéases « attendrissent » les protéines de la viande. Un objectif important de la biotechnologie alimentaire est le développement de nouvelles enzymes alimentaires améliorant la qualité de la transformation des aliments.
Enzyme de restriction ouendonucléase de restriction : classe d’enzymes qui coupent l'ADN après avoir reconnu une séquence spécifique. Les trois types d’endonucléase de restriction sont :
enzyme répressible : enzyme dont l’activité peut être réduite par la présence d’une molécule régulatrice ;
enzyme limitante : enzyme dont l’activité contrôle le rendement du produit final d’unevoie métabolique multi-enzymatique… ;
enzyme constitutive : enzyme dont la concentration dans la cellule est constante et n'est pas influencée par une concentration en substrat.
↑Valéry Ozenne. Caractérisation des protéines intrinsèquement désordonnées par résonance magnétique nucléaire. Biologie structurale [q-bio.BM]. Université de Grenoble, 2012. Français.https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00870515 - Consulté le 23/05/2019
↑MarylineCoquidé, MichèleDell’Angelo, StanislasDorey et CorinneFortin, « Espace et temps dans les sciences du vivant : nouvelles perspectives pour la recherche en didactique »,RDST. Recherches en didactique des sciences et des technologies,no 4,,p. 139–160(ISSN2110-6460,DOI10.4000/rdst.512,lire en ligne, consulté le)
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