Certaines enzymes aident à décomposer les grosses molécules nutritives, comme les protéines, les graisses et les glucides, en molécules plus petites. Ce processus se produit lors de la digestion des aliments dans l’estomac et les intestins des animaux. D’autres enzymes guident les plus petites molécules décomposées à travers la paroi intestinale vers la circulation sanguine. D’autres enzymes encore favorisent la formation de grosses molécules complexes à partir de petites molécules simples pour produire des constituants cellulaires. Les enzymes sont également responsables de nombreuses autres fonctions, dont le stockage et la libération d’énergie, le déroulement de la reproduction, les processus de respiration et la vision. Elles sont indispensables à la vie.

Chaque enzyme est capable de favoriser un seul type de réaction chimique. Les composés sur lesquels l’enzyme agit sont appelés substrats. Les enzymes fonctionnent dans des systèmes métaboliques étroitement organisés appelés voies. Un phénomène biologique apparemment simple – la contraction d’un muscle, par exemple, ou la transmission d’une impulsion nerveuse – implique en fait un grand nombre d’étapes chimiques au cours desquelles un ou plusieurs composés chimiques (substrats) sont convertis en substances appelées produits ; le produit d’une étape d’une voie métabolique sert de substrat à l’étape suivante de la voie.

Le rôle des enzymes dans les voies métaboliques peut être illustré de manière schématique. Le composé chimique représenté par A (voir le schéma ci-dessous) est converti en produit E dans une série d’étapes catalysées par des enzymes, dans lesquelles des composés intermédiaires représentés par B, C et D sont formés successivement. Ils servent de substrats aux enzymes représentées par 2, 3 et 4. Le composé A peut également être converti par une autre série d’étapes, dont certaines sont les mêmes que celles de la voie de formation de E, en produits représentés par G et H.

Les lettres représentent les composés chimiques ; les chiffres représentent les enzymes qui catalysent les réactions individuelles. Les hauteurs relatives représentent l’énergie thermodynamique des composés (par exemple, le composé A est plus riche en énergie que B, B plus riche en énergie que C). Les composés A, B, etc, se transforment très lentement en l’absence de catalyseur mais le font rapidement en présence des catalyseurs 1, 2, 3, etc.

Le rôle régulateur des enzymes dans les voies métaboliques peut être clarifié en utilisant une analogie simple : celle entre les composés, représentés par des lettres dans le diagramme, et une série de réservoirs d’eau connectés sur une pente. De même, les enzymes représentées par les chiffres sont analogues aux valves du système de réservoirs. Les valves contrôlent l’écoulement de l’eau dans le réservoir, c’est-à-dire que si seules les valves 1, 2, 3 et 4 sont ouvertes, l’eau de A s’écoule uniquement vers E, mais si les valves 1, 2, 5 et 6 sont ouvertes, l’eau de A s’écoule vers G. De la même manière, si les enzymes 1, 2, 3 et 4 de la voie métabolique sont actives, le produit E est formé, et si les enzymes 1, 2, 5 et 6 sont actives, le produit G est formé. L’activité ou l’absence d’activité des enzymes de la voie métabolique détermine donc le sort du composé A, c’est-à-dire qu’il reste inchangé ou est transformé en un ou plusieurs produits. En outre, si des produits sont formés, l’activité des enzymes 3 et 4 par rapport à celle des enzymes 5 et 6 détermine la quantité de produit E formé par rapport au produit G.

L’écoulement de l’eau et l’activité des enzymes obéissent tous deux aux lois de la thermodynamique ; ainsi, l’eau du réservoir F ne peut pas s’écouler librement vers H en ouvrant la vanne 7, car l’eau ne peut pas s’écouler vers le haut. Cependant, si les vannes 1, 2, 5 et 7 sont ouvertes, l’eau s’écoule de F vers H, car l’énergie conservée pendant l’écoulement descendant de l’eau à travers les vannes 1, 2 et 5 est suffisante pour lui permettre de forcer l’eau à monter à travers la vanne 7. De la même manière, les enzymes de la voie métabolique ne peuvent pas convertir directement le composé F en H à moins que de l’énergie ne soit disponible ; les enzymes sont capables d’utiliser l’énergie des réactions de conservation de l’énergie afin de catalyser les réactions qui nécessitent de l’énergie. Au cours de l’oxydation des glucides en dioxyde de carbone et en eau, catalysée par les enzymes, l’énergie est conservée sous la forme d’un composé riche en énergie, l’adénosine triphosphate (ATP). L’énergie contenue dans l’ATP est utilisée au cours d’un processus consommateur d’énergie tel que la contraction musculaire catalysée par les enzymes.

Parce que les besoins des cellules et des organismes varient, non seulement l’activité mais aussi la synthèse des enzymes doivent être régulées ; par exemple, les enzymes responsables de l’activité musculaire d’un muscle de la jambe doivent être activées et inhibées aux moments appropriés. Certaines cellules n’ont pas besoin de certaines enzymes ; une cellule du foie, par exemple, n’a pas besoin d’une enzyme musculaire. Une bactérie n’a pas besoin d’enzymes pour métaboliser des substances qui ne sont pas présentes dans son milieu de croissance. Certaines enzymes ne sont donc pas formées dans certaines cellules, d’autres ne sont synthétisées qu’en cas de besoin, et d’autres encore sont présentes dans toutes les cellules. La formation et l’activité des enzymes sont régulées non seulement par des mécanismes génétiques mais aussi par des sécrétions organiques (hormones) provenant de glandes endocrines et par des impulsions nerveuses. Les petites molécules jouent également un rôle important (voir ci-dessous Flexibilité des enzymes et contrôle allostérique).

Si une enzyme est défectueuse à un certain niveau, une maladie peut apparaître. Les enzymes représentées par les numéros 1 à 4 dans le schéma doivent fonctionner pendant la conversion de la substance de départ A en produit E. Si une étape est bloquée parce qu’une enzyme est incapable de fonctionner, le produit E peut ne pas être formé ; si E est nécessaire à une certaine fonction vitale, une maladie en résulte. De nombreuses maladies et affections héréditaires chez l’homme résultent d’une déficience d’une enzyme. Certaines d’entre elles sont énumérées dans le tableau. L’albinisme, par exemple, résulte d’un manque héréditaire de capacité à synthétiser l’enzyme tyrosinase, qui catalyse une étape de la voie par laquelle le pigment de la couleur des cheveux et des yeux est formé.

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