Les enzymes accélèrent les réactions par des facteurs pouvant atteindre un million ou plus (tableau 8.1). En effet, la plupart des réactions dans les systèmes biologiques n’ont pas lieu à des vitesses perceptibles en l’absence d’enzymes. Même une réaction aussi simple que l’hydratation du dioxyde de carbone est catalysée par une enzyme, l’anhydrase carbonique (section 9.2). Le transfert du CO2 des tissus vers le sang, puis vers l’air alvéolaire, serait moins complet en l’absence de cette enzyme. En fait, l’anhydrase carbonique est l’une des enzymes les plus rapides connues. Chaque molécule d’enzyme peut hydrater 106 molécules de CO2 par seconde. Cette réaction catalysée est 107 fois plus rapide que la réaction non catalysée. Nous étudierons le mécanisme de catalyse de l’anhydrase carbonique au chapitre 9. Les enzymes sont très spécifiques, tant dans les réactions qu’elles catalysent que dans le choix des réactifs, appelés substrats. Une enzyme catalyse généralement une seule réaction chimique ou un ensemble de réactions étroitement liées. Les réactions secondaires conduisant à la formation inutile de sous-produits sont rares dans les réactions catalysées par les enzymes, contrairement aux réactions non catalysées.
Tableau 8.1
Augmentation du taux par des enzymes sélectionnés.
Prenons l’exemple des enzymes protéolytiques. In vivo, ces enzymes catalysent la protéolyse, c’est-à-dire l’hydrolyse d’une liaison peptidique.
La plupart des enzymes protéolytiques catalysent également une réaction différente mais apparentée in vitro, à savoir l’hydrolyse d’une liaison ester. Ces réactions sont plus facilement contrôlées que la protéolyse et sont utiles dans les enquêtes expérimentales sur ces enzymes (section 9.1.2).
Les enzymes protéolytiques diffèrent nettement dans leur degré de spécificité du substrat. La subtilisine, que l’on trouve dans certaines bactéries, est assez peu discriminante : elle clive n’importe quelle liaison peptidique sans se soucier de l’identité des chaînes latérales adjacentes. La trypsine, une enzyme digestive, est assez spécifique et catalyse le clivage des liaisons peptidiques uniquement sur le côté carboxyle des résidus lysine et arginine (figure 8.1A). La thrombine, une enzyme qui participe à la coagulation du sang, est encore plus spécifique que la trypsine. Elle catalyse l’hydrolyse des liaisons Arg-Gly dans des séquences peptidiques particulières uniquement (figure 8.1B).
Figure 8.1
Spécificité de l’enzyme. (A) La trypsine clive sur le côté carboxyle des résidus arginine et lysine, tandis que (B) la thrombine clive spécifiquement les liaisons Arg-Gly dans des séquences particulières.
L’ADN polymérase I, une enzyme dirigée par le modèle (section 27.2), est un autre catalyseur hautement spécifique. Elle ajoute des nucléotides à un brin d’ADN en cours de synthèse, dans une séquence déterminée par la séquence des nucléotides d’un autre brin d’ADN qui sert de matrice. L’ADN polymérase I est remarquablement précise dans l’exécution des instructions données par la matrice. Elle insère le mauvais nucléotide dans un nouveau brin d’ADN moins d’une fois sur un million.
La spécificité d’une enzyme est due à l’interaction précise du substrat avec l’enzyme. Cette précision est le résultat de la structure tridimensionnelle complexe de la protéine de l’enzyme.
8.1.1. De nombreuses enzymes ont besoin de cofacteurs pour leur activité
L’activité catalytique de nombreuses enzymes dépend de la présence de petites molécules appelées cofacteurs, bien que le rôle précis varie selon le cofacteur et l’enzyme. Une telle enzyme sans son cofacteur est appelée apoenzyme ; l’enzyme complète et catalytiquement active est appelée holoenzyme.
Les cofacteurs peuvent être subdivisés en deux groupes : les métaux et les petites molécules organiques (tableau 8.2). L’enzyme anhydrase carbonique, par exemple, a besoin de Zn2+ pour son activité (section 9.2.1). La glycogène phosphorylase (section 21.1.5), qui mobilise le glycogène pour l’énergie, nécessite la petite molécule organique pyridoxal phosphate (PLP).
Tableau 8.2
Cofacteurs enzymatiques.
Les cofacteurs qui sont de petites molécules organiques sont appelés coenzymes. Souvent dérivés des vitamines, les coenzymes peuvent être liés à l’enzyme de façon serrée ou lâche. S’ils sont étroitement liés, ils sont appelés groupes prosthétiques. Les coenzymes faiblement associés ressemblent davantage à des cosubstrats, car ils se lient à l’enzyme et en sont libérés, tout comme le sont les substrats et les produits. L’utilisation du même coenzyme par une variété d’enzymes et leur source dans les vitamines distinguent toutefois les coenzymes des substrats normaux. Les enzymes qui utilisent la même coenzyme sont généralement similaires sur le plan mécanique. Au chapitre 9, nous examinerons l’importance mécanistique des cofacteurs pour l’activité enzymatique. Une discussion plus détaillée des coenzymes se trouve dans la section 8.6.
8.1.2. Les enzymes peuvent transformer l’énergie d’une forme en une autre
Dans de nombreuses réactions biochimiques, l’énergie des réactifs est convertie avec une grande efficacité en une forme différente. Par exemple, dans la photosynthèse, l’énergie lumineuse est convertie en énergie de liaison chimique par un gradient ionique. Dans les mitochondries, l’énergie libre contenue dans les petites molécules issues de l’alimentation est d’abord convertie en énergie libre d’un gradient ionique, puis en une autre monnaie, l’énergie libre de l’adénosine triphosphate. Les enzymes peuvent ensuite utiliser l’énergie de liaison chimique de l’ATP de nombreuses façons. L’enzyme myosine convertit l’énergie de l’ATP en énergie mécanique des muscles qui se contractent. Les pompes situées dans les membranes des cellules et des organites, que l’on peut considérer comme des enzymes qui déplacent des substrats plutôt que de les modifier chimiquement, créent des gradients chimiques et électriques en utilisant l’énergie de l’ATP pour transporter des molécules et des ions (figure 8.2). Les mécanismes moléculaires de ces enzymes de transfert d’énergie sont en cours d’élucidation. Nous verrons dans les chapitres suivants comment des cycles unidirectionnels d’étapes discrètes – liaison, transformation chimique et libération – conduisent à la conversion d’une forme d’énergie en une autre.
Figure 8.2
Une enzyme de transformation de l’énergie. La Ca2+ ATPase utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP pour transporter le Ca2+ à travers la membrane, générant un gradient de Ca2+.
8.1.3. Les enzymes sont classées sur la base des types de réactions qu’elles catalysent
De nombreuses enzymes ont des noms communs qui fournissent peu d’informations sur les réactions qu’elles catalysent. Par exemple, une enzyme protéolytique sécrétée par le pancréas est appelée trypsine. La plupart des autres enzymes sont nommées en fonction de leurs substrats et des réactions qu’elles catalysent, avec le suffixe « ase » ajouté. Ainsi, une ATPase est une enzyme qui décompose l’ATP, tandis que l’ATP synthase est une enzyme qui synthétise l’ATP.
Pour apporter une certaine cohérence à la classification des enzymes, l’Union internationale de biochimie a créé en 1964 une Commission des enzymes chargée d’élaborer une nomenclature des enzymes. Les réactions ont été divisées en six grands groupes numérotés de 1 à 6 (tableau 8.3). Ces groupes ont été subdivisés et encore subdivisés, de sorte qu’un numéro à quatre chiffres précédé des lettres EC pour Enzyme Commission pouvait identifier précisément toutes les enzymes.
Tableau 8.3
Six grandes classes d’enzymes.
Considérez comme exemple la nucléoside monophosphate (NMP) kinase, une enzyme que nous examinerons en détail dans le chapitre suivant (section 9.4). Elle catalyse la réaction suivante :
La NMP kinase transfère un groupe phosphoryle de l’ATP au NMP pour former un nucléoside diphosphate (NDP) et de l’ADP. Par conséquent, c’est une transférase, ou un membre du groupe 2. De nombreux groupes en plus des groupes phosphoryle, comme les sucres et les unités de carbone, peuvent être transférés. Les transférases qui transfèrent un groupe phosphoryle sont désignées 2.7. Divers groupes fonctionnels peuvent accepter le groupe phosphoryle. Si un phosphate est l’accepteur, la transférase est désignée 2.7.4. Le dernier chiffre désigne plus précisément l’accepteur. En ce qui concerne la NMP kinase, un nucléoside monophosphate est l’accepteur, et la désignation de l’enzyme est EC 2.7.4.4. Bien que les noms communs soient utilisés couramment, le numéro de classification est utilisé lorsque l’identité précise de l’enzyme pourrait être ambiguë.