Enzymes
Vue d'ensemble et classification

La catalyse (du grec Katalysis, détacher) se réfère à l'accélération ou réorientation de la cinétique de réaction au moyen d'un catalyseur, et même la direction de la réaction dans un sens privilégié .

Pratiquement toutes les biomolécules capables de catalyser des réactions chimiques dans les cellules sont des enzymes.

Toutefois, certaines biomolécules catalytiques sont constituées d'ARN et sont donc distinctes des enzymes : ce sont les ribozymes, découverts en 1980, dont le nom est formé d'après les mots " acide ribonucléique " et " enzyme ".

• En effet, l'ARN peut se replier pour former une structure compacte, qui, en formant de cavités, offrent des sites de fixation aux ligands. Des groupements réactifs qui sont alors réorientés catalysent le substrat.
• En outre, l'ARN, qui peut jouer le rôle de catalyseur et de support de l'information génétique, comme l'ADN, pourrait être à l'origine d'un monde prébiotique où il aurait été le précurseur de toutes les fonctions biologiques. C'est l'hypothèse dite du monde à ARN (RNA world).

Structure fonctionnelle des enzymes

Vue d'ensemble

Une enzyme est constituée:

• de l'apoenzyme, fraction protéique thermolabile, et,
• dans certains cas, d'un cofacteur appelé coenzyme, composé organique non protéique et thermostable qui comprend différents types et modes d'intervention (coenzymes). L'enzyme complète avec son coenzyme est appelée alors holoenzyme.

Dans cette partie générale, on ne parlera que de l'apoenzyme.

1. L'enzyme doit reconnaître son substrat, s'y combiner transitoirement et le transformer.

• La combinaison enzyme/substrat est un complexe stéréospécifique formé grâce à des liaisons faibles, non covalentes, qui ne peuvent s'engager qu'en raison d'une complémentarité structurale.
• Dans certains cas, des liaisons covalentes se forment de façon transitoire à l'un ou plusieurs des stades de la réaction enzymatique.

2. Dans la plupart des cas, la molécule de protéine enzymatique est infiniment plus volumineuse que celle du substrat.

• Seul, le site actif, zone privilégiée de la protéine qui peut être constituée que de quelques résidus intervient réellement dans la réaction.
• Ces résidus peuvent être très éloignés les uns des autres dans la structure primaire de la protéine, mais se trouvent rapprochés dans l'espace grâce aux repliements de la structure de l'enzyme.

Site actif

Le site actif comporte deux sites voisins :

• le site de reconnaissance, site de fixation du substrat,
• le site catalytique, site responsable de la réalisation de la réaction chimique catalysée.

Soit la cholinestérase, cette enzyme, qui se combine à l'acétylcholine pour l'hydrolyser, possède :

• un site anionique chargé négativement, qui reconnaît et fixe la partie du substrat à charge positive,
• un site " estérasique " comportant deux groupes réactionnels : un hydroxyle électrophile d'une sérine, un noyau imidazole nucléophile d'un résidu histidine, qui sont mis en jeu pour l'hydrolyse de la fonction ester.

1. Le site actif d'une enzyme se trouve à l'intérieur de la molécule globulaire protéique, en général dans une sorte de gouttière, i.e. au sein d'un environnement hydrophobe où des échanges électroniques avec le substrat peuvent se réaliser facilement.

• Les quelques résidus impliqués directement dans la réaction enzymatique se trouvent, au niveau du site actif, au contact du substrat et sont, le plus souvent, hautement conservés.
• Des résidus jouent un rôle indirect en assurant la flexibilité de la structure tertiaire au voisinage du site actif.
• D'autres ne paraissent jouer aucun rôle et sont hautement variables.

2. Lors de la reconnaissance, des modifications conformationnelles de la protéine orientent, de manière optimale, les groupes catalytiques, pour optimiser la réaction.

3. Les enzymes agissent, de façon comparable à celle d'un catalyseur minéral, en abaissant l'énergie d'activation des molécules, permettant la réalisation de nombreuses réactions chimiques dans des conditions physiologiques.

Le facteur d'accélération par rapport à la réaction chimique sans catalyseur est de l'ordre d'une centaine de fois, et est dû à plusieurs facteurs.

Tout d'abord, il existe un effet de positionnement et de proximité entre la molécule et le site acif.

Ensuite, un effet de catalyse acide-base intervient.

• Aux pH habituels de fonctionnement des enzymes, les concentrations en $\ce{H-}$ et $\ce{0H-}$ sont trop faibles pour que leur participation soit déterminante, mais, en revanche, plusieurs acides aminés des protéines enzymatiques possèdent des groupes fonctionnels ionisables, carboxyliques ou aminés.
• Leur dissociation dépend du pH à l'extérieur de la molécule, mais ils sont peu dissociés lorsqu'ils sont au sein de l'environnement hydrophobe, comme c'est le cas au niveau du site actif.
• Les acides aspartique et glutamique, la lysine et l'histidine peuvent ainsi intervenir, et l'action hydrolysante du lysozyme sur les liaisons osidiques est expliquée par la mise en jeu de ces résidus.

Puis, un effet de contrainte conformationnelle est capable de jouer un rôle important dans le déclenchement de certaines réactions.

Enfin, un effet de catalyse covalente est fréquemment observé comme dans la formation d'une base de Schiff ($\ce{R2C=NR' avec R' ≠ H}$), entre un substrat à groupe carbonyle ($\ce{C=O}$) et un groupe amine primaire ($\ce{NH2}$) du site actif, comme lors de l'hydrolyse d'un peptide par une l'α-chymotrypsine.

Classification des enzymes

L'une des caractéristiques fondamentales des enzymes est leur spécificité comparativement aux réactifs chimiques.

• Un acide peut hydrolyser des composés aussi divers que des esters, des peptides ou des glycosides.
• Chacune des fonctions de ces composés sera hydrolysée par une classe différente d'enzymes.

Le nom d'une enzyme est dérivé de son substrat ou de la réaction chimique catalysée, avec une terminaison en -ase.

On peut donner comme exemple : les lactases, les alcool déshydrogénases, les protéases, les ADN polymérases… Quelquefois, elle peut se terminer en -ine : pepsine, trypsine, papaïne…

Cas général

L'Union internationale de biochimie et de biologie moléculaire (IUBMB) ont mis au point une nomenclature des enzymes, la nomenclature EC, qui est composé de EC puis de 4 chiffres (maximum) séparés par un point (Enzyme Nomenclature).

Classes d'enzymes
Oxydoréductases		Déshydrogénases Oxydases, Peroxydases Réductases Oxygénases
Transférases		Méthylransférases Glycosyltransférases Transaminase Phosphotransférases
Hydrolases		Estérases Glycosidases Peptidases Amidases
Lyases (ou synthases)		C-C-Lyases C-O-Lyases C-N-Lyases C-S-Lyases
Isomérases		Épimérases Isomérases cis/trans Transférases Intramoléculaires
Ligases (ou synthétases)		C-C-Ligases C-O-Ligases C-N-Ligases C-S-Ligases

1. Le premier chiffre désigne la réaction chimique catalysée :

• EC 1 : oxydoréductases qui catalysent les réactions d'oxydo-réduction (transfert d'électrons ou d'électrons associés à des protons) ;

$\ce{A- +B->A +B-}$

• EC 2 : transférases qui transfèrent un groupement fonctionnel sur un accepteur :
  • un groupe méthyl ($\ce{CH3}$),
  • un sucre, comme le glucose,
  • un $\ce{NH2}$ transformé en $\ce{=O}$ (transamination) ;
  • un phosphate ;

$\ce{A-X +B->A +B-X}$

• EC 3 : hydrolases qui catalysent l'hydrolyse de différentes liaisons ;

$\ce{A-X + H2O->A-H + B-OH}$

• EC 4 : lyases (ou synthases) qui rompent diverses liaisons par d'autres procédés que l'hydrolyse et l'oxydation ;

$\ce{A-B->A+B}$

• EC 5 : isomérases qui catalysent les réactions d'isomérisation dans une seule molécule ;

$\ce{A->B}$ (isomère de A)

• EC 6 : ligases (ou synthétases) qui lient deux molécules de manière covalente.

$\ce{A + B + NTP->A-B + NDP + P}$ ou $\ce{NMP+2P}$, NTP étant un nucléotide triphosphtate, par exemple, l'ATP).

2. Le second chiffre désigne le substrat général impliqué lors de la réaction, par exemple :

• EC 3.4 : hydrolases actives sur la liaison peptidique ;
• EC 6.2 : ligases formant un lien entre un carbone et un soufre.

3. Le troisième chiffre désigne le substrat spécifique impliqué, par exemple :

• EC 3.4.17 : métallocarboxypeptidases ;
• EC 6.2.1 : ligases acide-thiol.

4. Le quatrième chiffre désigne le numéro de série de l'enzyme, par exemple :

• EC 3.4.17.1 : carboxypeptidase A ;
• EC 6.2.1.45 : E1 ubiquitin-activating enzyme.

Autres définitions

1. Les enzymes qui ont une structure différente, mais qui catalysent la même réaction chimique, sont appelés isoenzymes (ou isozymes) et peuvent avoir un même numéro.

Toutes les ADN polymérases partagent le même numéro EC 2.7.7.7.

2. Certaines enzymes peuvent être classées sous plusieurs numéros si elles possèdent plusieurs sites actifs différents.

L'uridine monophosphate synthétase (UMPS) comprend une sous-unité orotate phosphoribosyltransférase (EC 2.4.2.10) et une sous-unité orotidine-5'-phosphate décarboxylase (EC 4.1.1.23).

3. Dans le cas particulier des protéases, qui sont comprises dans les hydrolases, leur mécanisme d'action ou la nature de leur résidu catalytique permet leur classification (classification des protéases).