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RÉSUMÉ
Les enzymes savent compenser leur manque de généricité par leur extraordinaire sélectivité, voire énantiosélectivité et régiosélectivité. Ces propriétés en font des outils de choix pour réaliser des réactions de synthèse, dans des conditions particulièrement compatibles avec la préservation de l'environnement (milieux aqueux, pH non extrêmes, températures peu élevées). L'utilisation de plus en plus grande de matières premières renouvelables, donc d'origine biologique, pour favoriser des conditions de développement durable ne pourra qu'accroître les exemples de mise en oeuvre de biocatalyseurs. De plus, les outils de la biologie moléculaire, combinés à ceux de la biologie structurale et de la modélisation in silico, permettent aujourd'hui non seulement de diversifier les sources de nouvelles enzymes et d'en améliorer extraordinairement l'efficacité et la stabilité, mais également de concevoir des biocatalyseurs totalement originaux, capables de réaliser de nouvelles réactions.
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Didier COMBES : Professeur à l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse
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Pierre MONSAN : Professeur à l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse - École nationale supérieure des mines de Paris - Institut universitaire de France
INTRODUCTION
Les enzymes savent compenser leur manque de généricité par leur extraordinaire sélectivité, voire énantiosélectivité et régiosélectivité, qui en font des outils de choix pour réaliser des réactions de synthèse dans des conditions particulièrement compatibles avec la préservation de l'environnement (milieux aqueux, pH non extrêmes, températures peu élevées). L'utilisation de plus en plus grande de matières premières renouvelables, donc d'origine biologique, pour favoriser des conditions de développement durable ne pourra qu'accroître les exemples de mise en œuvre de biocatalyseurs. De plus, les outils de la biologie moléculaire, combinés à ceux de la biologie structurale et de la modélisation « in silico », permettent aujourd'hui non seulement de diversifier les sources de nouvelles enzymes et d'en améliorer extraordinairement l'efficacité et la stabilité, mais également de concevoir des biocatalyseurs totalement originaux, capables de réaliser de nouvelles réactions.
Il est très difficile de donner une date exacte de la découverte des enzymes. Une activité hors d'une cellule vivante a été observée en 1783 lorsque Spallanzani nota que la viande était « liquéfiée » par le suc gastrique des faucons.
D'autres observations similaires ont été faites par la suite, mais la première découverte d'une enzyme est en général créditée à Payen et Persoz qui, en 1833 ont traité un extrait aqueux de malt avec de l'éthanol et ainsi précipité une substance labile à la chaleur, qui initie l'hydrolyse de l'amidon. Ils ont appelé cette fraction « diastase ». Aujourd'hui, on sait que la diastase était une préparation impure d'amylase.
Le mot enzyme, « dans la levure » en grec, apparaît en 1878 : Kühne le propose pour faire la distinction entre les « ferments organisés » (le micro-organisme entier) ou « inorganisés » (excrétés par les micro-organismes).
C'est en 1897 que Bertrand observa que quelques enzymes nécessitaient des facteurs dialysables pour avoir de l'activité catalytique : ces substances ont été appelées coenzymes.
À partir du début du 20e siècle, de nombreux essais sont faits pour purifier les enzymes et décrire leur activité catalytique en termes mathématiques précis.
En 1902, Henri a suggéré qu'un complexe enzyme-substrat était un intermédiaire obligatoire dans la réaction catalytique. Il donne également une équation mathématique qui prend en compte l'effet de la concentration du substrat sur la vitesse de réaction.
L'effet du pH sur l'activité enzymatique a été mis en évidence par Sorensen en 1909 et c'est en 1913 que Michaelis et Menten redécouvrent l'équation d'Henri. Cette équation est basée sur des principes simples d'équilibre chimique.
Le fait que les enzymes sont des protéines n'a été accepté que vers la fin des années 1920.
Enfin, c'est en 1965 que Monod, Wyman et Changeux présentent un modèle cinétique pour les enzymes allostériques (enzymes de régulation qui donnent des courbes de vitesses sigmoïdes et non hyperboliques).
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1. Enzymes : structure, origine, classification
1.1 Structure – coenzymes
Les enzymes sont des protéines et, à ce titre, leur structure peut être décrite en quatre étapes :
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structure primaire : c'est l'ordre d'enchaînement des acides aminés de série L, liés entre eux par une liaison de type amide, la liaison peptidique. Ce premier niveau de structure est responsable au moins indirectement des niveaux supérieurs d'organisation et ainsi de toutes les propriétés des protéines, en particulier des propriétés catalytiques des enzymes, mais aussi de la formation d'autres liaisons covalentes (modifications post-traductionnelles) ;
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structure secondaire : elle résulte de l'établissement de liaisons hydrogène entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. L'existence de structures secondaires vient du fait que les repliements énergétiquement favorables de la chaîne peptidique sont limités et que seules certaines conformations sont possibles. Il existe trois principales catégories de structures secondaires selon le repliement des liaisons peptidiques : les hélices (de type alpha), les feuillets (de type bêta) et les coudes ;
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structure tertiaire : la chaîne polypeptidique déjà ordonnée en structure secondaire peut se replier sur elle-même pour former une molécule de configuration spatiale bien déterminée (en général, de forme globulaire dans le cas des enzymes). Les liaisons intramoléculaires (pont disulfure, liaisons hydrogènes, liaisons ioniques, liaisons hydrophobes) responsables de la stabilité de la structure tertiaire se forment à partir des chaînes latérales des acides aminés ;
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structure quaternaire : les protéines sont souvent constituées de plusieurs sous-unités qui correspondent chacune à une chaîne polypeptidique de structure tertiaire définie. L'association de ces sous-unités entre elles par le même type de liaisons que celles rencontrées au niveau de la structure tertiaire constitue la structure quaternaire de la protéine. C'est de cette association dont dépend l'activité de la protéine.
La réaction de production d'un produit à partir d'un substrat, catalysée par une enzyme passe par la formation d'un complexe enzyme-substrat. Cette notion de couple enzyme-substrat implique que l'enzyme possède une région complémentaire par sa taille, sa forme et la nature chimique du substrat : c'est le site actif de l'enzyme. Ainsi, une seule substance ou...
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Enzymes : structure, origine, classification
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PRICE (N.C.), STEVENS (L.) - Fundamentals of enzymology. - Oxford University Press, Oxford (1989).
-
(2) - SMITH (G.M.) - The nature of enzymes, in Biotechnology, a Comprehensive Treatise. - 2e édn., sous la direction de REHM (H.-J.) et REED (G.), vol. 9, Springer-Verlag, Weinheim, Allemagne (1995).
-
(3) - HENRISSAT (B.) - A classification of glycosyl hydrolases based on amino-acid sequence similarities. - Biochem. J., 280, p. 309-316 (1991).
-
(4) - COUTINHO (P.M.), HENRISSAT (B.) - Carbohydrate-active enzymes : an integrated database approach. - In Recent Advances in Carbohydrate Bioengineering, GILBERT (H.J.), DAVIES (G.), HENRISSAT (B.) et SVENSSON (B.) eds., The Royal Society of Chemistry, p. 3-12, Cambridge (1999).
-
(5) - TERWISSCHA VAN SCHELTINGA (A.), ARMAND (S.), KALK (K.H.), ISOGAI (A.), HENRISSAT (B.), DIJKSTRA (B.W.) - Stereochemistry of chitin hydrolysis by a plant chitinase/lysozyme and x-ray structure of a complex with allosamidin. Evidence for substrate assisted catalysis. - Biochemistry, 34, p. 15619-15623 (1995).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Nomenclature des enzymes http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/
Classification CAZy (Carbohydrate Active enZymes) http://www.cazy.org/
Système d'information sur les enzymes http://www.brenda-enzymes.org/index.php4
HAUT DE PAGE
Les enzymes alimentaires http://europa.eu/scadplus/leg/fr/lvb/l21036.htm
HAUT DE PAGE3 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
Association des producteurs et formulateurs d'enzymes : AMFEP http://www.amfep.org/
HAUT DE PAGE
NOVOZYMES A/S http://www.novozymes.com/
DANISCO-GENENCOR http://www.genencor.com/
BASF ...
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