1. Définition

Les enzymes sont des composés protéiques produits par les organismes vivants, organismes dont ils catalysent les réactions. L'enzyme se lie et agit sur un substrat pour donner le produit correspondant selon le schéma suivant:

Les enzymes étant des composés protéiques, on a pu les extraire des cellules tout en conservant leur propriétés biologiques. Ceci a permis leur purification et étude.

2. Constitution

2.1. Deux possibilités

Il est fréquent de rencontrer des enzymes divisibles en deux parties: une partie protéique : l'apoenzyme, et une partie non protéique : le coenzyme (se distingant de l'autre partie car dialysable). Les deux parties réunies forment l'holoenzyme.
On distingue donc:

• des enzymes entièrement protéiques, la protéine enzymatique réalisant elle-même l'action. Citons par exemple la glutaminase, catalyseur de la transformation de glutamine en glutamate et NH₄+ par utilisation d'une molécule d'H₂O.
• des holoenzymes : apoenzyme + coenzyme. La protéine fixera le substrat et le coenzyme sera responsable de la réaction chimique. Citons par exemple la glutamate déshydrogénase nécessitant le NAD+ pour réaliser la déshydrogénation oxydative du glutamate. Le NAD+ va se transformer en NADH,H+ et la réaction fournit de l'α-cétoglutarate et du NH₄+.

A un enzyme correspond un coenzyme.
Un coenzyme n'est pas spécifique d'un enzyme, il est commun à plusieurs enzymes.

2.2. Les coenzymes

2.2.1. Les coenzymes des réactions d'oxydo-réductions

Ils sont au nombre de 4:

• le FMN: Flavine MonoNucléotide,
• le FAD: Flavine Adénine Dinucléotide,
• le NAD: Nicotinamide Adénine Dinucléotide,
• Le NADP: Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate

A ces 4 coenzymes correspondent 2 parties réactives intervenant dans la réaction:

• la structure flavinique pour le FMN et le FAD,
• la structure nicotinamide pour le NAD et le NADP.

2.2.1.1. La structure flavinique

C'est le noyau isoalloxazine qui est actif. Le FMN et le FAD ont une liaison forte à l'apoenzyme.

Le FMN est un nucléotide comportant la flavine comme base et le ribitol comme ose à 5 carbones. La riboflavine correspond à la vitamine B2 active. Son équation rédox est :

Le FAD contient 2 bases: flavine et une base purique : l'adénine, il contient également 2 oses : ribitol et ribose.

A l'état oxydé, FMN et FAD sont jaunes et absorbe à 450 nm.
A l'état réduit, on observe une diminution de la coloration.

2.2.1.2. La structure nicotinamide

C'est l'amide de l'acide nicotinique qui est actif. NAD et NADP sont faiblement liés à l'apoenzyme. L'équation rédox correspondante est :

Le NAD+ comporte 2 nucléotides: adénine et nucléotide (fixant un hydrogène), et 2 oses : 2 riboses. Celui qui est lié à l'adénine comporte sur son OH la liaison au phosphate.

A l'état oxydé, on observe une diminution de l'absorbance.
A l'état réduit, NAD+ et NADP absorbent à 340 nm.

2.2.2. Le coenzyme A ou CoA ou CoASH

Le CoEnzyme-A est le transporteur universel des groupes acyles, A signifie acétylation. Ceci correspond à la réaction: CoASH + R-COOH --> R-CO~SCoA + H2O.
La partie réactive du CoA est l'acide panthothénique correspondant à la vitamine B5. C'est cette partie qui fixera l'acyl. Le β-mercaptoéthanolamine est lié à l'acide panthothénique lui-même lié à l'adénosine diphosphate(ADP).

2.2.3. Le phosphate de pyridoxal

C'est le coenzyme des réactions de transaminations : acide aminé 1 + acide α-cétonique 2 <--> acide aminé 2 + acide α-cétonique 1.
La partie réactive est le radical aldéhyde. Le pyridoxal correspond à la vitamine B6 active.

3. Structure et fonction

Rappels:

• L'enchaînement linéaire des acides aminés est déterminé par le génome.
• La structure secondo-tertiaire est conditonnée par la structure primaire.
• La structure spatiale d'une molécule enzymatique conditionne son activité.
• Toute modification de la composition en acides aminés entraîne un changement de la conformation spatiale et donc une perte de l'activité enzymatique.
• Toute modification des liaisons chimiques qui interviennent dans la structure spatiale entraîne une perte de l'activité enzymatique (ponts disulfures, liaisons hydrogènes).

Prenons l'exemple de la ribonucléase A. Elle posséde une structure tertiaire stabilisée, notamment, par 4 ponts disulfures entre les cystéines 65-72, 26-84, 40-95 et 58-110. La rupture de ces ponts disulfures par le β-mercaptoéthanol et la rupture des liaisons hydrogènes intramoléculaires par l'urée entraînent la pêrte de l'activité enzymatique.
Donc sans structure secondo-tertiaire, pas d'activité biologique.

En outre, le seul maintien de la structure spatiale de la molécule permet de conserver à l'enzyme ses propriétés biologiques. En effet, si l'on met la ribonucléase A en présence d'une peptidase, la subtilisine, il y a rupture de la liaison chimique entre l'alanine 20 et la sérine 21. On obtient un peptide S de 20 acides aminés et une protéine S de 104 acides aminés, tout deux inactifs séparément.
Si l'on remet les deux composés en suspension à pH7, l'activité enzymatique reprend alors qu'il n'y a pas reformation de liaison covalente entre l'alanine 20 et la sérine 21. Une association par intéraction moléculaire faible permet de rétablir la structure tridimensionnelle de la ribonucléase.
Il apparaît donc que le positionnement du site de fixation du substrat est fonction de la structure spatiale de la molécule enzymatique. Pour la ribonucléase, il s'agit des histidines 12 et 119.

Une molécule enzymatique doit donc être capable de fixer le substrat et de réaliser la réaction chimique pour être active.
En ce qui concerne la ribonucléase, on observe la formation de deux zones de réactivités autour du site de fixation du substrat: une zone hydrophobe (acides aminés 106 à 110) et une zone basique (acides aminés 31 à 41). La ribonucléase comporte donc une activité enzymatique grâce à la formation de ces zones réactives, liées à la structure spatiale de la molécule.

4. Site actif

La fixation du substrat sur un enzyme est dépendante de la structure spatiale de la molécule.
On définit au sein d'un enzyme le site actif comme étant un groupement acides aminés déterminant dans l'espace la zone de l'enzyme en contact direct avec le substrat. Le site actif n'est pas forcément constitué d'un enchaînement linéaire d'acides aminés. C'est la structure secondo-tertiaire, permettant le rapprochement de certains aminoacides qui va former dans l'espace cette zone. La fixation du substrat entrainera une modification de la conformation spatiale, comme un repli de la protéine sur son substrat par exemple.
On peut fréquemment retrouver Ser, Asp, His, Tyr, Ala comme acides aminés fixant le substrat.

En général, l'enzyme est stabilisé et plus résistant aux agents dénaturants en présence du substrat. D'un point de vue structural, on pourra distinguer plusieurs groupes d'acides aminés :

• des groupes de contacts : c'est le site actif, correspondant à un petit nombre d'acides aminés : un peu moins de 10;
• des groupes auxiliaires : ils auront un rôle dans le mécanisme de la catalyse, par un effet électronique par exemple ;
• des groupes de conformation : souvent éloignés du site actif ils assurent néanmoins la conformation spatilale de la molécule et donc la formation du site actif ;
• des groupes indifférents qui n'interviendront pas dans la réaction.

5. Spécificité enzymatique

Un enzyme est spécifique d'un substrat et est spécifique d'une réaction.

5.1. Spécificité de réaction

Elle est relativment large au départ mais ce fera de plus en plus précise.
Initialement, on détermine 6 grandes classes de réactions:

• les oxydo-réductases,
• les transférases,
• les hydrolases,
• les lyases,
• les isomérases,
• les ligases ou synthétases.

Dans chaque classe, on va d'abord préciser cette spécificité de réaction en distinguant par exemple les déshydrogénases des oxydases. Cette spécificité sera encore accentuée avec la distinction effectuée selon le coenzyme intervenant dans la réaction: NAD+, NADP+, FAD ou FMN par exemple pour les déshydrogénases.

5.2. Spécificité de substrat

Là aussi, elle sera plus ou moins étroite.
En repartant avec l'exemple précédent on peut illustrer cette spécificité. Parmi les déshydrogénases à NAD+, certaines réagiront spécifiquement avec l'alcool déshydrogénase. Elle pourra alors interagir avec son substrat préférentiel, l'éthanol, mais également d'autres alcool primaire: butanol, propanol...

D'autres enzymes auront une spécificité de substrat bien plus développée.
Par exemple pour la déshydrogénation de l'acide lactique, l'enzyme sera la lactico-déshydrogénase. Or il existe deux isomères de l'acide lactique : un acide L-lactique et un acide D-lactique. On va donc retrouver cette spécificité s'exprimer au niveau de l'enzyme. En effet, on aura une L-Lacticodéshydrogénase et une D-Lacticodéshydrogénase.
C'est ce qui définit la stéréospécificité, niveau de spécificité le plus étroit.

Un si haut niveau de spécificité ne s'explique pas par le modèle classique de Fischer.
On admet la théorie de Koshland : l'ajustement induit. Le substrat va être responsable de l'induction d'une modification de la configuration de l'enzyme, permettant l'adaptation de l'enzyme à son substrat.

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