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Tous les organismes vivants effectuent en permanence de nombreuses réactions biochimiques pour maintenir leur présence. La plupart de ces réactions nécessitent un apport d’énergie pour démarrer, ce qu’on appelle l’énergie d’activation. Les catalyseurs sont des produits chimiques qui réduisent l’énergie d’activation. Même si les catalyseurs facilitent une réaction chimique, ils ne sont pas consommés par celle-ci. Cela signifie qu’un catalyseur peut faciliter une réaction chimique spécifique encore et encore successivement, augmentant ainsi la vitesse de cette réaction.
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui augmentent la vitesse et l’efficacité des réactions biochimiques. La plupart des enzymes sont des protéines, mais certaines molécules d’acide ribonucléique ont également des propriétés catalytiques. Chaque type d’enzyme ne peut se lier qu’à un ou quelques substrats spécifiques, il existe donc une grande diversité d’enzymes, toutes ayant des fonctions distinctes. La réaction spécifique d’une enzyme dépend de ses sites actifs, qui ont des formes qui correspondent étroitement à la forme de ses substrats. Lors de la liaison du substrat, l’enzyme change légèrement de forme de manière à permettre à la réaction chimique de se produire plus facilement, réduisant ainsi l’énergie d’activation de la réaction. Une fois la réaction effectuée, l’enzyme libère les produits et reprend sa forme initiale, ce qui lui permet de répéter le processus.
La plupart des réactions enzymatiques peuvent être classées comme cataboliques et anabolisantes, qui ont des fonctions opposées. Les enzymes qui interviennent dans les réactions cataboliques décomposent les substances plus grandes en plusieurs produits. Une enzyme catabolique bien connue est la lactase, qui divise le disaccharide lactose des produits laitiers en monosaccharides galactose et glucose. Les humains ont de grandes quantités de lactase dans leur intestin grêle après la naissance, mais de nombreuses personnes perdent plus de 90 % de leur lactase dans la petite enfance1. Cette réduction diminue la capacité à digérer le lactose en fonction de l’âge, ce qui est connu sous le nom d’intolérance au lactose2.
Les enzymes anabolisantes combinent plusieurs substances en un seul produit. Par exemple, l’enzyme ADN polymérase synthétise des molécules d’ADN en assemblant des nucléotides. De même, l’enzyme glycogène synthase relie les molécules de glucose pour générer du glycogène. L’insuline régule l’activité de la glycogène synthase, par conséquent, les patients diabétiques ayant des niveaux d’insuline faibles ou nuls ne peuvent pas synthétiser le glycogène sans traitement à l’insuline3.
La forme et la charge du site actif d’une enzyme sont adaptées à la réaction chimique spécifique qu’elle catalyse, donc l’activité enzymatique est influencée par des facteurs qui affectent son site actif. Par conséquent, les enzymes ont besoin de conditions spécifiques pour fonctionner à des niveaux optimaux et, en fonction de leur fonction et de leur emplacement, ces conditions peuvent varier considérablement. Ces facteurs comprennent le pH et la température. Par exemple, les sites actifs des enzymes contiennent souvent des acides aminés acides ou basiques. Les écarts par rapport au pH optimal modifient les charges dans le site actif, ce qui rend difficile l’interaction des substrats avec l’enzyme. Cette propriété a été utilisée pendant des siècles pour conserver les aliments par marinage, ce qui réduit le pH de l’aliment mariné à un niveau qui inhibe efficacement l’activité enzymatique microbienne. De même, chaque enzyme fonctionne à une plage de température optimale. Si la température se déplace en dessous ou au-dessus de cette plage, elle modifie la forme du site actif, l’empêchant d’interagir efficacement avec ses substrats. Dans la plupart des cas, le retour à la température optimale restaure la forme et la fonction d’origine de l’enzyme, cependant, des températures trop élevées peuvent dénaturer ou endommager de manière irréversible la structure de l’enzyme. Encore une fois, ces propriétés sont utiles pour la sécurité alimentaire ; Nous cuisons soigneusement la viande pour tuer les bactéries nocives en dénaturant leurs enzymes et réfrigérons la plupart des aliments pour ralentir l’activité enzymatique des micro-organismes.
Les extrêmophiles, ou organismes trouvés dans des conditions extrêmes qui sont mortelles pour la plupart des formes de vie, ont des enzymes capables de fonctionner à ces extrêmes. Par exemple, Thermus aquaticus est une bactérie présente dans les sources chaudes et les cheminées hydrothermales atteignant des températures auxquelles la plupart des protéines se dénatureraient. La Taq polymérase est une ADN polymérase thermostable présente chez T. aquaticus, ce qui a permis le développement de la réaction en chaîne par polymérase (PCR), une méthode de laboratoire largement utilisée pour la réplication rapide de l’ADN. La PCR nécessite des températures élevées pour séparer les brins de la double hélice de l’ADN à répliquer. La Taq polymérase reste stable à ces températures élevées alors que la plupart des enzymes seraient dégradées. La PCR alterne entre des températures élevées qui brisent l’ADN en brins simples et des températures plus basses qui permettent à la polymérase de construire de nouveaux ADN double brin.
En plus de plages de pH et de température spécifiques, certaines enzymes fonctionnent mieux en présence d’autres molécules ou ions. Les coenzymes sont des biomolécules qui se lient au site actif de l’enzyme et participent à la catalyse sans être consommées par la réaction. Les coenzymes transportent souvent des électrons, des atomes spécifiques et des groupes fonctionnels, et agissent ainsi comme des transporteurs intermédiaires. Les vitamines B agissent comme des coenzymes pour de nombreuses réactions biochimiques. Par exemple, la coenzyme A (coA), qui est la forme active de l’acide pantothénique, est requise par 4 % de toutes les enzymes de mammifères4. Les cofacteurs sont souvent classés comme des substances inorganiques, telles que les ions, qui sont nécessaires à la fonction enzymatique. Par exemple, toutes les enzymes de l’ADN polymérase nécessitent du Mg2+ ou du Mn2+ pour la réplication de l’ADN ainsi que l’excision des nucléotides5 mal incorporés.
Il existe également d’autres molécules qui ne sont pas nécessaires au fonctionnement d’une enzyme mais qui sont capables de modifier l’activité enzymatique. Les substances qui augmentent l’activité enzymatique sont appelées activateurs, tandis que d’autres qui diminuent l’activité enzymatique sont appelées inhibiteurs. Ces molécules se lient aux enzymes soit au site actif, soit à d’autres endroits de l’enzyme connus sous le nom de sites allostériques. Parfois, ces molécules peuvent se lier à l’emplacement exact du site actif en tant que substrat, et ainsi entrer en compétition avec le substrat pour la liaison enzymatique. D’autres, en particulier les substances qui se lient aux sites allostériques, peuvent modifier la fonction enzymatique sans bloquer la liaison du substrat au site actif, et sont donc non compétitives. De plus, la liaison des inhibiteurs peut être réversible ou irréversible. Lorsque l’interaction est réversible, l’enzyme peut reprendre sa fonction une fois que l’inhibiteur se détache. Cependant, lorsque la liaison est irréversible, l’inhibiteur ne se détache jamais de l’enzyme et l’enzyme est irrémédiablement endommagée et doit être remplacée. Néanmoins, les inhibiteurs d’enzymes sont également utiles. Par exemple, les inhibiteurs ont été utilisés comme antibiotiques pour inhiber la croissance bactérienne et comme chimiothérapies pour inhiber la division incontrôlée des cellules cancéreuses6.
L’une des méthodes utilisées par les scientifiques pour étudier les effets de différentes conditions sur la fonction enzymatique consiste à quantifier la vitesse de réaction, c’est-à-dire la vitesse à laquelle l’enzyme catalyse la réaction. Par conséquent, un taux de réaction plus élevé indique que l’enzyme catalyse les réactions plus efficacement, tandis qu’un taux plus faible signifie qu’elle fonctionne moins efficacement. Pour déterminer la vitesse de réaction, la vitesse de réaction est calculée en mesurant la quantité de produit produite par unité de temps. Cela se fait en mesurant la concentration du produit en commençant dès le début de la réaction, lorsque la concentration du produit augmente linéairement, jusqu’à ce que l’enzyme soit complètement saturée du substrat et que la catalyse atteigne un niveau stable. Une fois que la vitesse de réaction de base est déterminée, elle peut être utilisée comme point de référence, ou contrôle, lors de la comparaison entre une variété de traitements. Nous pouvons évaluer les taux de réaction comme des mesures relatives ou absolues. Une vitesse de réaction relative est une mesure comparative qui montre les différences entre deux ou plusieurs conditions, telles que les traitements dans une seule expérience, mais ne donne pas de valeur pour ce qui est mesuré. Une vitesse de réaction absolue repose sur une mesure quantitative de la progression de la réaction. Un moyen facile de comprendre la différence entre les taux de réaction relatifs et absolus est d’envisager de mesurer la vitesse d’une voiture dans une course. Une méthode relative comparerait en évaluant le classement des voitures à la ligne d’arrivée, tandis que le taux absolu évaluerait et comparerait la vitesse des voitures individuelles en miles par heure.
Étant donné que les enzymes sont si largement utilisées, les chercheurs ont commencé à chercher des moyens de créer et de modifier des enzymes pour répondre à des besoins spécifiques, ce que l’on appelle l’ingénierie des protéines. La technologie de l’ADN recombinant permet de modifier les séquences d’acides aminés afin de modifier la forme d’une enzyme ou l’affinité du site actif. Cela a été utilisé pour créer des tests de diagnostic très sensibles pour diverses conditions, ainsi que pour les efforts de biorestauration et les outils de gestion des déchets7.
Les explorateurs européens avaient les connaissances, les compétences et l'équipement adéquats, mais pourquoi n'ont-ils pas atteint le Nouveau Monde avant la fin du 15e siècle ? Vous serez surpris d'apprendre que la réponse à cette question est liée aux petites molécules biologiques appelées enzymes, qui agissent comme des catalyseurs.
Qu’est-ce qu’un catalyseur ? C’est une substance qui permet à une réaction de se produire plus rapidement, en utilisant moins d’énergie. Si vous traciez un graphique de l’énergie nécessaire pour une réaction biologique non catalysée, cela ressemblerait à ceci. Cette hauteur représente l’énergie d’activation, qui est la quantité minimale d’énergie nécessaire pour que la réaction se déroule. Les enzymes, qui agissent comme un catalyseur, fournissent une voie de réaction alternative, avec une énergie d’activation plus faible.
Alors, comment fonctionnent réellement les enzymes ? La plupart des enzymes sont des protéines. La partie de leur structure qui interagit avec les molécules qu'ils catalysent s'appelle le site actif, qui n'a d'affinité que pour certains substrats et ne se lie pas à d'autres. Lorsque les bons substrats pénètrent dans le site actif, l’enzyme change de forme pour atteindre une configuration d’affinité plus élevée. Cet état de transition facilite la réaction et convertit les réactifs en produits. L’enzyme, cependant, a une affinité plus faible pour les produits, de sorte qu’elle les libère et reprend sa forme d’origine, prête à répéter le même processus. Il s’agit d’un exemple d’enzyme catabolique car elle a pris un seul substrat et l’a cassé pour former plusieurs produits. L’opposé de cela est l’enzyme anabolique, qui prend deux substrats et les assemble pour former un produit plus grand.
Il existe de nombreuses autres façons dont les enzymes fonctionnent. Par exemple, cette enzyme transfigure un substrat unique en une nouvelle forme. Alors que celui-ci, transfère une partie d’un substrat, sur un autre. Certaines enzymes ne peuvent pas catalyser les réactions par elles-mêmes et nécessitent des cofacteurs ou des coenzymes pour catalyser leur réaction.
Alors, vous vous demandez peut-être quel est le rapport avec les voyages du 15ème siècle ? À cette époque, les marins n'avaient pas accès à des produits frais contenant de la vitamine C, une coenzyme essentielle à la synthèse du collagène. Pour cette raison, les marins développaient le scorbut, une maladie de carence en vitamine C, qui était souvent mortelle. Ils ont résolu ce problème en marinant des fruits et légumes riches en vitamine C. Le décapage réduisait le pH des aliments, ce qui empêchait l’activité des enzymes microbiennes, responsables de leur pourriture. Par conséquent, la destruction des enzymes microbiennes et la sauvegarde d’une coenzyme essentielle ont joué un rôle majeur dans le succès des longues expéditions.
Dans cet atelier, vous pouvez quantifier comment différentes conditions affectent la fonction enzymatique, en évaluant la vitesse de réaction, la quantité de produit produit, par unité de temps. Vous allez d'abord mesurer la vitesse de réaction de référence à une température ambiante standard et un pH neutre. Le taux augmentera au début jusqu’à ce que toutes les molécules enzymatiques soient complètement saturées de substrat. Et puis, la catalyse atteindra un niveau stable alors que les enzymes sont occupées à poursuivre le cycle de liaison du substrat, de catalyse et de libération. Une fois que la vitesse de réaction de référence a été établie, elle peut être utilisée comme point de référence pour d’autres conditions. L'enzyme avec laquelle vous travaillerez dans ce laboratoire est la peroxydase de navet. Vous allez évaluer son activité sous différentes valeurs de température et de pH.
