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Article

1 - ENZYMES : CATALYSEURS DE LA VIE

2 - DIFFÉRENTS MÉCANISMES D’ACTION ENZYMATIQUE

3 - ENZYMES HUMAINES ACTIVÉES

4 - ISOENZYMES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SYMBOLES ET NOTATIONS

Article de référence | Réf : PHA1504 v1

Conclusion
Enzymologie moléculaire - Catalyse enzymatique

Auteur(s) : Julien DUMOND, Serge KIRKIACHARIAN

Date de publication : 10 juin 2022

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RÉSUMÉ

Les organismes unicellulaires ou pluricellulaires disposent de protéines enzymatiques, catalysant diverses réactions biochimiques spécifiques. Cet article est consacré à la catalyse enzymatique. Les sites actifs de la chymotrypsine, de la ribonucléase et de la phosphotriose isomérase impliqués dans les réactions chimiques sont étudiés. L’influence des paramètres physicochimiques (énergie d’activation, température et pH) pouvant moduler l’activité catalytique est également envisagée. Les derniers paragraphes sont dédiés aux différentes cinétiques enzymatiques, aux coenzymes, aux voies d’activation d’enzymes humaines et aux isoenzymes.

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ABSTRACT

Molecular enzymology - Enzymatic catalysis

Unicellular or multicellular organisms have enzymatic proteins, that catalyze various specific biochemical reactions. This article is focused on the enzymatic catalysis. The active site of Chymotrypsin, Ribonuclease and Phosphotriose isomerase involved in chemical reactions are studied. The effects of physicochemical parameters (activation energy, temperature and pH) that can modulate the catalytic activity are also analyzed. Last paragraphs are dedicated to various enzyme kinetics, coenzymes, activation pathways of human enzymes and isoenzymes.

Auteur(s)

  • Julien DUMOND : Docteur en virologie enzymologie - Consultant en entreprises pharmaceutiques, Metz, France

  • Serge KIRKIACHARIAN : Docteur ès-sciences physiques, Pharmacien - Professeur émérite de chimie thérapeutique de la faculté des sciences pharmaceutiques et biologiques de l’université Paris Sud - Praticien hospitalier chef de service honoraire des hôpitaux de Paris, France

INTRODUCTION

Les enzymes sont des catalyseurs biochimiques présentant des analogies avec les catalyseurs chimiques.

Une enzyme est l’accélérateur d’une réaction chimique précise à une température et à un pH donnés. Le facteur accélérateur est généralement compris entre 105 et 108. La réaction enzymatique est spécifique et son action se déroule à faible concentration sans qu’il s’ensuive une dénaturation. L’équilibre de la réaction n’est pas modifié et il est atteint rapidement en corrélation avec le facteur accélérateur précédemment abordé. Ces traits caractéristiques rendent ces macromolécules indispensables au métabolisme cellulaire et à sa régulation.

L’enzyme diffère d’un catalyseur chimique par sa nature protéique qui la rend sensible aux conditions physicochimiques non compatibles avec les milieux retrouvés chez les êtres vivants. Elle est aussi active à faible concentration, ce qui peut engendrer sa saturation par les réactifs qu’elle doit transformer.

Cet aspect catalytique de l’enzymologie est particulièrement intéressant lors de l’utilisation de réacteurs enzymatiques où une enzyme est immobilisée sur un support solide afin de réaliser à grande échelle, voire très grande échelle, une réaction chimique spécifique. Les données de la cinétique enzymatique, des flux de substrats, de produits et d’autres molécules nécessaires à la réaction au sein des réacteurs sont autant de paramètres à étudier avec précision. Parmi les réacteurs, peuvent être cités ceux qui permettent d’effectuer des réactions chimiques, des préparations pour l’industrie pharmaceutique, pour la cosmétologie et des préparations agroalimentaires. Plus récemment, ces applications se déroulent à l’aide de réacteurs enzymatiques à membrane. L’enzyme est liée à la surface membranaire ou située dans les pores de cette dernière. La réaction s’effectue quand le substrat traverse la membrane.

Connaître la structure et le fonctionnement d’une enzyme permet d’exploiter ce catalyseur biologique dans les meilleures conditions en vue d’optimiser son utilisation dans différents domaines industriels. De nombreux catalyseurs (glycosidases, protéases, lipases...) sont étudiés et utilisés dans des réacteurs afin de produire des molécules variées à haute valeur ajoutée. Par exemple, le marché de la production d’arômes représente plusieurs milliards d’euros par an. Il dépend d’enzymes fonctionnant au sein de levures, de bactéries ou de cellules végétales dans des fermenteurs (synthèse de lactones...) ou d’enzymes purifiées immobilisées ou non dans des réacteurs (synthèse d’hexanal, hexénal, esters d’acide gras...). De plus, dans l’industrie pharmaceutique, les enzymes permettent d’accéder à des intermédiaires et/ou à des médicaments chiraux en une étape, offrant un gain économique et écologique non négligeable par rapport à leur accès nécessitant des synthèses multi-étapes.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.

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KEYWORDS

enzymatic catalysis   |   active site   |   physicochemical parameters   |   enzymatic kinetics

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-pha1504


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5. Conclusion

La catalyse constitue un procédé par lequel une entité chimique ou biologique accélère une réaction chimique.

Dans le monde des organismes vivants, deux types de catalyseurs biologiques sont connus :

  • des ARN (acides ribonucléiques catalytiques ou ribozymes) faisant partie de la famille moléculaire des acides nucléiques ;

  • les enzymes appartenant aux protides représentant de loin les principaux catalyseurs biologiques.

Cet article consacré à la catalyse enzymatique a permis la mise en évidence du déroulement chimique de trois différentes réactions enzymatiques et rappelle les propriétés de ce type de catalyse spécifique. Il expose succinctement les principaux mécanismes de cinétiques enzymatiques retrouvés dans le monde vivant ainsi que la notion d’isoenzyme.

D’autre part, sachant que les bactéries et les cellules eucaryotes ont développé un nombre important d’enzymes, la compréhension moléculaire de leur fonctionnement ouvre la voie à une amélioration du potentiel de manipulation de la structure du génome et de l’expression des gènes. Dans ces conditions, les défis mécaniques et topologiques présentés par la production, le traitement et la maintenance des acides nucléiques deviennent accessibles.

Il est intéressant de noter que le prix Nobel de chimie 2018 a été attribué en partie à Frances Arnold. Elle a été la première à obtenir des enzymes dont l’évolution de la réaction était dirigée. Il s’agit d’une approche ayant permis de générer des nouveaux catalyseurs, incluant des enzymes utiles pour la synthèse de nouveaux médicaments ou de biocarburants par exemple. Ces nouvelles enzymes avec leurs sites actifs spécifiques peuvent réaliser des réactions chimiques et des créations de liaisons qui étaient précédemment inconnues dans le monde des organismes vivants.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - NOGUES (M.V.), VILANOVA (M.), CUCHILLO (C.M.) -   Bovine pancreatic ribonuclease A as a model of an enzyme with multiple substrate binding sites.  -  Bioch. Biophys. Acta, 1253(1), p. 16-24 (1995).

  • (2) - JASPARD (E.) -    -  http://biochimej.univ-angers.fr/Page2/COURS/4EnzymologieLicence/COURS1/111Cours.html

  • (3) - WIERENGA (R.K.), KAPETANIOU (E.G.), VENKATESAN (R.) -   Triosephosphate isomerase: a highly evolved biocatalyst.  -  Cell. Mol. life Sci., 67(23), p. 3961-3962. (2010).

  • (4) - HARRIS (T.K.), ABEYGUNAWARDANA (C.), MILDVAN (A.S.) -   NMR studies of the role of hydrogen bonding in the mechanism of phosphotriose isomerase.  -  Biochemistry, 36(48), p. 14661-1475 (1997).

  • (5) - RAINES (R.T.), SUTTON (E.L.), STRAUS (D.R.), GILBERT (W.), KNOWLES (J.R.) -   Reaction energeticcs of a mutant triosephosphate isomerase in which the active-site glutamate has been changed to aspartate.  -  Biochemistry, 25(22), p. 7142-7154. (1986).

  • ...

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