Cinétique enzymatique

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Enzyme kinetics →

Cinétique enzymatique ---- (+ d’infos)

Neuraminidase du virus de la grippe aviaire représenté avec un diagramme ruban tridimensionnel (en jaune), montre l'intégration d'un inhibiteur (modèle éclaté) dans un emplacement en forme de "cavité" à la surface de l'enzyme. Cette "cavité" représente le site actif de la neuraminidase, jouant un rôle crucial dans le passage des virus à travers la memebrane des les cellules hôtes.

La cinétique enzymatique a pour objet d'identifier et de décrire les mécanismes des réactions biochimiques, catalysées par les enzymes, en étudiant leur vitesse c'est-à-dire leur évolution en fonction du temps. En partant des enzymes isolées et en allant vers les systèmes métaboliques organisés et intégrés, la cinétique enzymatique permet de décrire quantitativement les propriétés catalytiques des enzymes et les mécanismes mis en place pour leur régulation.
Les enzymes jouent un rôle central dans la régulation des processus biologiques. Elles sont généralement constituées de molécules protéiques issues de la traduction du génome, à l'exception des ribozymes constitués d'ARN. Les enzymes interviennent en diminuant la barrière énergétique entre les réactants permettant d'accélérer les réactions des milliers de fois plus qu'en absence de catalyse.
L'activité catalytique des enzymes est hautement spécifique, c'est-à-dire qu'une enzyme donnée, parmi les milliers qui existent, ne peut catalyser qu'une réaction chimique bien précise (p. ex. l'hexokinase permet à l'aide d'une molécule d'ATP de phosphoryler le glucose pour obtenir le glucose-6-phosphate substrat clé dans la glycolyse et la synthèse du glycogène). En effet, la réaction chimique catalysée par une enzyme s'effectue au niveau d'une région bien déterminée de celle-ci, appelée site actif. Dans ce domaine, les acides aminés adoptent une configuration spatiale précise qui confère à cette région des caractéristiques chimiques spéciales rendant compte le cette spécificité vis-à-vis du substrat (voir figure ci-contre).
Il existe une relation entre la vitesse d'une réaction catalysée par une enzyme et la concentration ou la disponibilité du substrat. L'activité enzymatique dépend aussi du pH, de la température et souvent de la concentration des ions et des cofacteurs. La régulation de cette activité peut être assurée par des composés appelés effecteurs (généralement de faible poids moléculaire). Les effecteurs positifs (ou activateurs) stabilisent la configuration catalytique active de l'enzyme. Les effecteurs négatifs (ou inhibiteurs), agissent au contraire, en favorisant l'état moins actif (inhibiteurs non compétitifs) ou entrent en compétition avec les molécules de substrat en bloquant le site actif (inhibiteurs compétitifs).
La cinétique enzymatique constitue un élément fondamental dans la compréhension de la manière dont les enzymes fonctionnent et conduit à de nombreuses applications dans les industries chimique et agroalimentaire ainsi que dans les biotechnologies et la médecine (pharmacologie, toxicologie).

Sommaire

1 Mécanisme de la catalyse enzymatique
2 Comment l'enzyme diminue l'énergie d'activation ?
3 Réaction enzymatique
4 Modèles de la cinétique enzymatique
- 4.1 Modèle de Michaëlis-Menten
- 4.2 Modèle de Briggs-Haldane
5 Cinétique à un substrat
6 Cinétique à plusieurs substrats
7 Contôle de l'activité enzymatique
8 Références

[modifier] Mécanisme de la catalyse enzymatique

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L'utilisation d'une enzyme sur un substrat donne un produit réactionnel. Ce produit réactionnel va pouvoir réagir spontanément si son énergie initiale est supérieure à son énergie finale : cette variation d'énergie est appelée variation d'énergie libre. Cependant, pour arriver à l'état final, le substrat doit passer le seuil de l'énergie d'activation qui est parfois trop élevé et diminue ainsi la vitesse de réaction. L'enzyme diminue cette énergie d'activation permettant ainsi au substrat une réaction plus rapide.

[modifier] Comment l'enzyme diminue l'énergie d'activation ?

L'enzyme, lors de son action sur le substrat, modifie la réactivité moléculaire en formant un complexe enzyme-substrat, elle forme un état intermédiaire. Donc, l'enzyme facilite la réaction du substrat en diminuant l'énergie d'activation, ceci en passant par un ou plusieurs états intermédiaires

[modifier] Réaction enzymatique

L'activité enzymatique exprime la "quantité" d'enzyme dans une préparation. L'unité d'activité enzymatique (U exprimée en µmol/min ou en kat = mol/s) est définie en terme de quantité de substrat transformé par unité de temps.

[modifier] Modèles de la cinétique enzymatique

[modifier] Modèle de Michaëlis-Menten

On part de la réaction

$\mathrm{E + S \overset{k_1}\underset{k_{-1}}\rightleftharpoons ES \xrightarrow[]{k_2} E + P }$

On fait l'hypothèse d'un état quasi-stationnaire (AEQS pour Approximation de l'État Quasi-Stationnaire) sur l'espèce ES : ES étant instable, on suppose qu'elle disparait aussi vite qu'elle apparait.

Si $v$ est la vitesse de la réaction,

$v=\frac {d[P]}{dt}= k_2 [ES]$

$\frac {d[ES]}{dt}=0=k_1[E][S] - k_{-1} [ES] - k_2 [ES]$ (cf cours de chimie)

donc $[ES]=\frac {k_1}{k_{-1}+k2}[E][S]$ et en remplaçant [ES]

$v=\frac{k_2k_1}{k_{-1}+k_2}[S][E]$

Si on fait un bilan de matière sur E

$[E] + [E S] = [E] 0$ , où $[E] 0$ est la quantité initiale d'enzyme

et en remplaçant E , $v=\frac{k_2[E]_0}{1+\frac{k_{-1}+k_2}{k_1[S]}}$

Si on défini $v m a x = k 2 [E] 0$ et $K_m=\frac{k_{-1}+k_2}{k_1}$

On a $v = \frac {v_{max}[S]}{[S]+K_m}$

[modifier] Modèle de Briggs-Haldane

[modifier] Cinétique à un substrat

Saturation des sites actifs

[modifier] Cinétique à plusieurs substrats

[modifier] Contôle de l'activité enzymatique

[modifier] Conditions du milieu réactionnel

[modifier] Inhibition et activation

Inhibition compétitive: Arrive lorsque deux composés (substrat) veulent se lier au même enzyme car ils ont une configuration spatiale partiellement identique et peuvent tous les deux accéder au site catalytique (on peut faire l'analogie avec deux clés semblable qui peuvent ouvrir la même serrure). Exemple: il y a compétition entre méthacholine et acétylcholine car elles ont toutes les deux un groupement choline qui active l'enzyme. Il en résulte: E+S1+S2-->ES1+ES2-->E+P1+P2 (les réaction sont réversible) Il se peut aussi que le substrat compétitif se lie au site catalytique sans être modifié. Si un l'enzyme est saturé par un substrat l'autre (d'affinité moindre=Kd plus élevé)ne sera pas catalysé d'où le terme compétitif. Il pourra par contre le déplacer par action de masse (i.e si sa concentration est beaucoup plus forte il le déplacera même si son Kd est plus élevé)

Inhibition non compétitive: Arrive lorsque un agent non relié au substrat est capable de lier l'enzyme au niveau de son site hallostérique. Cela laisse le site catalytique vacant, mais va souvent en modifier sa configuration spatiale cela peut empêcher la liaison enzyme substrat de se faire au niveau du site actif ou entrainer la liaison. Tout dépend de si le changement de configuration au niveau du site catalytique augmente l'affinité du substrat pour le dernier (active l'enzyme) ou la diminue.