Généralités sur les enzymes 1.La structure d’une enzyme

A l’exception de quelques enzymes composées d’ARN, les enzymes sont des protéines ayant des propriétés catalytiques. Elles se composent d’une partie protéique appelée apoenzyme (elle forme le corps de l’enzyme) constituée d’un enchainement d’acides aminés (molécule organique composée d’un atome de carbone asymétrique qui porte une fonction acide, amine et une chaine latérale appelée résidu) liés entre eux par des liaisons amides (liaisons peptidiques) (Figure I.7). Une liaison amide résulte de la condensation du groupe α-carboxyle d’un acide aminé avec le groupe α-aminé de l’acide aminé suivant dans la chaine. On l’appelle la chaine peptidique.

Figure I.7: Liaison peptidique entre deux acides aminés dans une chaine peptidique

15 L’extrémité d’un polypeptide comportant un groupement amine libre s’appelle l’extrémité amino-terminale (N-terminale) et celle comportant un groupement carboxylique libre, l’extrémité carboxy-terminale (C-terminale). Par convention, la numérotation des résidus commence à l’extrémité N-terminale. La liaison peptidique est plane. Une rotation est possible autour du carbone alpha qui porte le résidu de l’acide aminé.

On distingue quatre niveaux structuraux chez les enzymes (protéines). La structure primaire correspond à la séquence en acides aminés de la protéine (Figure I.8).

Figure I.8: Structure primaire d’une enzyme

La structure secondaire est relative au premier niveau de compaction. Elle consiste en un repliement des acides aminés en hélices alpha ou en feuillets béta dont il existe deux formes : les feuillets parallèles et antiparallèles (Figure I.9). L’hélice alpha est constituée par l’enroulement régulier d’une chaine polypeptidique sur elle-même. Elle résulte de la formation d’une liaison hydrogène entre des groupements C=O et N-H proches l’un de l’autre dans la chaine. Dans une hélice alpha, l’atome d’oxygène du carbonyle de chaque résidu (acide aminé) forme une liaison hydrogène (qui va stabiliser la structure) avec l’azote du groupement amide situé quatre résidus plus loin dans la chaine. Le résultat est une structure cylindrique où les résidus sont situés à l’extérieur de l’hélice. Elles détermineront les interactions de l’hélice alpha avec les autres parties de l’enzyme. Dans les feuillets béta (brins béta), deux chaines s’associent entre elles via des liaisons hydrogènes. Ces chaines peuvent être orientées dans le même sens (feuillet béta parallèle) c’est-à-dire par numérotation croissante des résidus des deux chaines ou

16 en sens inverse (feuillet antiparallèle) à savoir par ordre croissant pour l’une des chaines et décroissant pour l’autre. Il existe aussi des feuillets mixtes.

Figure I.9: Structure secondaire d’une enzyme, à gauche l’hélice alpha et à droite un feuillet β

La structure tertiaire correspond à la compaction des structures secondaires entre elles et enfin la structure quaternaire correspond à l’assemblage de plusieurs sous-unités protéiques ayant une structure tertiaire.

La partie protéique (apoenzyme) est parfois présente seule, dans ce cas il s’agit d’une enzyme purement protéique (holoenzyme). Certaines enzymes sont constituées d’une partie non protéique appelée cofacteur lorsque celle-ci n’est pas liée de façon covalente à la chaine peptidique ou groupement prosthétique dans le cas inverse. Ce complexe apoenzyme-cofacteur forme ce que l’on appelle une hétéroenzyme. Cette partie non protéique est primordiale pour l’activité catalytique de l’enzyme. En effet, les hétéroenzymes ne peuvent pas fonctionner en l’absence de leur cofacteur (il constitue une des parties actives de l’enzyme).

Une enzyme n’est pas seulement caractérisée par sa structure primaire ou sa configuration dans l’espace (structure secondaire à tertiaire). Elle a aussi des caractéristiques qui lui sont conférées au cours de son processus de synthèse. On parle de modifications post-traductionnelles. Ces modifications consistent à modifier la nature chimique d’acides aminés, ce qui a pour effet d’en modifier les propriétés physiques et chimiques. La glycosylation constitue une modification post traductionnelle qui joue un rôle important dans le repliement de l’enzyme, sa stabilité ou certains phénomènes de signalisation cellulaires. Elle consiste à lier un sucre (glucide) à une protéine. Les chaines polysaccharides sont souvent ramifiées. Les

17 chaines glucidiques sont liées aux protéines par des liaisons O-glycosidiques ou N-glycosidiques selon leur site d’ancrage. Les chaines liées par des liaisons O-N-glycosidiques sont plus courtes, ne contiennent que un à trois résidus glucidiques. La liaison est établie entre la N-acétyl galactosamine (GalNAc) et les résidus OH des acides aminées sérines (Ser) et thréonines (Thr). Les chaines N-glycosidiques sont ancrées sur l’azote du groupement amide de l’asparagine. Le sucre qui est lié à l’asparagine est le N-acetylglucosamine (GlcNAc). Ils peuvent former des arborescences. Le site d’attachement des chaines liées en N est situé dans la zone consensus N-X-Ser/Thr de la séquence en acides aminés de la protéine. Ces chaines contiennent toutes une structure constituée de deux GlcNAc et de trois mannoses auxquels viennent se greffer d’autres glucides.

I.2.1.2.Mécanisme et cinétique des réactions enzymatiques

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques spécifiques, c’est-à-dire qu’une enzyme donnée ne peut catalyser qu’un seul type de réaction chimique. On distingue six grandes classes selon le type de réactions catalysées :

-Les oxydoréductases : catalysent les réactions d’oxydoréduction,

-Les transférases : transfert un groupement fonctionnel d’une molécule à une autre, -Les hydrolases : catalysent la coupure de liaisons par hydrolyse,

-Les lyases : catalysent la coupure de liaisons par élimination,

-Les isomérases : catalysent les réactions de changement dans la configuration du substrat, -Les ligases : catalysent la condensation de deux molécules.

La vitesse de réaction d’une réaction enzymatique définit l’activité enzymatique. Celle-ci est exprimée en quantité de substrat transformée par unité de temps par quantité d’enzyme. Le mécanisme le plus couramment utilisé pour expliquer le processus catalytique est celui de Michaelis-Menten. Il a proposé que la réaction globale soit composée de deux réactions élémentaires : le substrat forme d’abord un complexe avec l’enzyme, puis ce complexe se décompose en produit. La réaction suivante résume ces différentes étapes :

Où E, S, ES et P symbolisent l’enzyme, le substrat, le complexe enzyme-substrat et le produit respectivement.

18 Il découle d’après cette réaction que la vitesse de formation du produit peut s’écrire selon l’Equation I.1 suivante :

concentration en substrat, k1, constante de vitesse de la formation du complexe, k-1, constante de vitesse de disparition du complexe et kcat (s^-1), constante catalytique de l’enzyme.

La constante de Michaelis (KM) et la constante de vitesse (kcat) sont les deux constantes permettant de caractériser la cinétique d’une réaction enzymatique. kcat est une constante de vitesse du premier ordre. Elle représente la fréquence à laquelle l’enzyme accomplit l’acte catalytique, c’est-à-dire en anglais son turnover. La valeur de kcat donne la mesure de l’efficacité de la catalyse du substrat par l’enzyme. KM représente l’affinité du substrat pour l’enzyme.

L’affinité de ce dernier est d’autant plus grande que la valeur de la constante de Michaelis est petite. Le Tableau I.1 présente des exemples de KM et kcat pour certaines enzymes.

Tableau I.1: Exemples de constantes de Michaelis et de vitesses pour différentes enzymes

Enzyme substrat KM kcat kcat/ KM

Acétylcholinestérase Acétylcholine 9,5×10^-5 1,4×10⁴ 1,5×10⁸ Anhydrase

Les enzymes utilisées dans les piles à combustible enzymatiques appartiennent à la famille des oxydoréductases. Elles sont constituées par une partie protéique (apoenzyme) et une partie non protéique (cofacteur/métal). Elles catalysent les réactions d’oxydoréduction. On distingue :