Enzymes

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Enzymes

  1. 1. Présenté par : Zidour Nabil MehdiEncadré par : Pr. Harizi Structure et fonction des enzymes Propriétés générales des enzymes Université Djilali Liabes Faculté de médecine Département de pharmacie Laboratoire de biochimie 2011/2012
  2. 2. Propriétés générales des enzymesIntroduction1-Structure des enzymesClassification desenzymes.2-Spécificité enzymatiqueLiaisons substrats-enzymes3-Nomenclature des enzymes4-Classification des enzymes5-Catalyse enzymatique6-Les Isoenzymes - Exemples d’isoenzymes
  3. 3. IntroductionLe mot "enzyme" a été inventé en 1876 par leprofesseur Willy Kühne de luniversité deHeidelberg .Le mot vient du grec "en zume", et signifie, defaçon assez appropriée, "dans la levure".
  4. 4. • Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant dabaisser lénergie dactivation dune réaction et daccélérer jusquà des millions de fois les réactions chimiques du métabolisme se déroulant dans le milieu cellulaire ou extracellulaire sans modifier léquilibre formé (à titre dexemple, une réaction qui met une seconde en présence dune enzyme mettrait 12 jours en son absence).• Les enzymes agissent à faible concentration et elles se retrouvent intactes en fin de réaction : ce sont des catalyseurs biologiques (ou biocatalyseurs).
  5. 5. • La première enzyme fut découverte par Anselme Payen et Jean-François Persoz en 1833. Après avoir traité un extrait aqueux de malt à léthanol, ils ont précipité une substance sensible à la chaleur. Cette substance était capable dhydrolyser lamidon : ils lont nommée diastase (étym. : diastasis = séparation) car elle séparait le sucre soluble de lamidon. On lappelle aussi α -amylase (alpha-amylase)
  6. 6. 1-Structure des enzymes
  7. 7. Structure primaireAcides aminé reliés par des liaisons covalentes ,chaines lineaires
  8. 8. Structure secondaire1ere organisation dans l’espaceNature des forces qui contribuent à l’organisationspatiale des molécules : ▫ liaisons hydrogènes ; établies entre l’O du C et le H de l’N ▫ En feuillets plissés H intermoléculaire ▫ En hélice plissées  H intramoléculaire ▫ Formation d’une pelote statique = Random Coil
  9. 9. Hélice alpha
  10. 10. Feuillet beta
  11. 11. Structure tertiaireRepliement de la structure secondaire pour donnerdes organisations spatiales bien déterminéesLe repliement de la chaine se fait de manière à nelaisser ni espace vide ni molélcule d’eau a l’interieurdes protéines  les chaines apolaires à l’interieur del’édifice et les chaines ionisées a l’éxterieurLiaisons impliquées : (liaisons faibles ) ▫ Liaisons Hydrophobes ▫ Liaisons ioniques ▫ Liaisons hydrogene ▫ Liaisons de Van Der Waals
  12. 12. Structure tertiaire
  13. 13. Structure tertiaire• Toute protéine est définie par rapport aux interactions qu’elle a avec d’autres molécules qui peuvent être protéique ou non (ligand)• L’interaction avec ce ligand fait intervenir des liaisons faibles• Cette zone d’interaction est appelée site de fixation et pour une enzyme elle est appelée « site actif »
  14. 14. Structure quaternaireAssemblage symétrique de plusieurs chainespolypeptidiques Structure quaternaire de la GDH
  15. 15. 2-Spécificité enzymatique
  16. 16. Spécificité enzymatique02 niveaux : • 1er niveau  type de réaction catalysée • 2eme niveau  au niveau du substrat de la réaction
  17. 17. 1) Type de réaction catalyséeLorsqu’un substrat est susceptible de subirdifférentes transformations catalytiques , l’enzymene catalyse qu’un seul type de réactionLe type de réaction catalysée n’est pas absolu , ellepeut être + ou – largeExemple : une estérase peut hydrolyser ▫ Un ester en présence d’eau ▫ Un ester + un alcool ▫ Un ester + une amine
  18. 18. 2) Spécificité au niveau du substrat• Large• Peut être absolue : une enzyme n’hydrolyse qu’un seul substrat (uréase  urée )• Une enzyme est dite spécifique lorsqu’elle agit sur un groupe de substrats possédants des caractéristiques particulières : ▫ Hexokinase phosphorylation d’hexose ▫ Peptidase  hydrolyse toutes les liaisons peptidiques Ces peptidases peuvent se distinguer en sous groupes , mettant en valeur une caractéristique particulière de la liaison peptidique ( aminopeptidase , carboxypeptidase )
  19. 19. 3) Stéréospécificité• Spécificité optique : s’exerce sur les énantiomorphes (série D ou L )• L’organisme possède des enzymes relatifs à un énantiomorphe particulier ▫ D  glucides ▫ L  acides aminés
  20. 20. 4) Spécificité d’organe• Tout les organes n’ont pas le même équipement enzymatique• Certaines enzymes ne sont présentes spécifiquement que dans des organes particuliers ; GLDH  foie• Certaines enzymes sont prédominantes dans certains organes particuliers ; TGP ( foie et muscle )• Mais ces enzymes diffèrent par quelques AA ce qui permet de les différencier en Isoenzymes
  21. 21. • Sur ces deux critère : ▫ Spécificité de réaction ▫ Spécificité de substrat• Est basée : ▫ La classification internationale des enzymes ▫ L’appellation classique des enzymes
  22. 22. 3-Nomenclature desenzymesNomenclature FonctionnelleNomenclature des enzymes officielle
  23. 23. Nomenclature FonctionnelleElle est très utilisée. Elle prend en compte le nomdu substrat de l’enzyme et le type de réactioncatalysée. Pour désigner une enzyme on indique : • dabord le nom du substrat • puis le type de réaction catalysée • on ajoute enfin le suffixe ase.Par exemple :- glucose-6-phosphate isomérase- Isocitrate lyase- pyruvate carboxylase
  24. 24. Lorsque lenzyme utilise 2 substrats on les désignetous les deux en indiquant • le substrat donneur de radicaux • puis le substrat accepteur du radical libéré • le radical échangé • le type de réaction • on ajoute enfin asePar exemple- ATP-glucose phosphotransférase- UDPglucose-fructose glucosyltransférase- Glutamate pyruvate aminotransférase
  25. 25. Nomenclature des enzymes officielleLa nomenclature officielle des enzymes, a étéétablie par la Commission des Enzymes (EC) , unorganisme tributaire de lunion Internationale deBiochimie et de Biochimie Moléculaire (IUBMB).Cette nomenclature officielle nous permet davoirune référence unique à léchelle mondiale pour ladésignation des enzymes.
  26. 26. • Le code qui permet de désigner une enzyme de façon systématique a la forme :EC (chiffre de 1 à 6).(Chiffre). (Chiffre).(Chiffre) • "EC" désigne la commission des enzymes. • Le premier chiffre classe lenzyme dans lune des six classes denzymes:
  27. 27. 1: Les oxydoréductases, qui catalysent destransferts délectrons2: Les transférases, qui catalysent les transferts degroupements3: Les hydrolases, qui catalysent des réactionsdhydrolyse4: Les lyases, qui catalysent laddition de groupes àdes liens doubles ou linverse
  28. 28. 5: Les isomérases, qui catalysent le transfert degroupes dans une même molécule pour produiredes formes isomères (la conversion dun acideaminé L en acide aminé D par exemple)6: Les ligases, qui forment des liens C-C, C-S, C-Oet C-N lors de réactions de condensation coupléesà lutilisation dATP .
  29. 29. 1: Les oxydoréductases
  30. 30. 2: Les transférases
  31. 31. 3: Les hydrolases
  32. 32. 4: Les lyases
  33. 33. 5: Les isomérases
  34. 34. 6: Les ligases
  35. 35. Les autres chiffres ?Ils désignent des sous-classes pour chaque enzyme; Par exemple, lenzyme tripeptideaminopeptidase a le code EC 3.4.11.4 qui estconstruit comme suit : 3 signifie une hydrolase(enzymes qui utilisent leau pour détruire uneautre molécule), 3.4 signifie hydrolases agissantsur des liens peptidiques, 3.4.11 implique cellesqui détachent un acide aminé amino-terminal dunpolypeptide et 3.4.11.4 implique celles quidétachent cet acide aminé aminoterminal duntripeptide.
  36. 36. Cette classification officielle précise et complète lanomenclature fonctionnelle. Dans un rapport ouune publication le nom fonctionnel continue à êtreutilisé mais ce dernier est toujours suivi entreparenthèses par son numéro dans la nomenclatureofficielle.
  37. 37. 4-Classification desenzymes
  38. 38. Les differents types denzymes4.1 - les enzymes doxydoreduction et de fixation 4.3.3 hydrolases des lipidesdoxygene 4.3.4 - hydrolases des peptides et des proteines4.1.1 – deshydrogenation des fonctions alcool,carbonyles ou 4.3.5 - hydrolases des nucleosides, nucleotides et acides nucleiquesCarboxyles 4.3.6 - hydrolases des esters ou anhydrides4.1.2 - deshydrogenases faisant apparaitre des phosphoriquesdoubles liaisons 4.4 - les lyases ou synthases4.1.3 - deshydrogenases agissant sur lesfonctions azotees 4.4.1 - decarboxylases4.1.4 - enzymes participant au transfert 4.4.2 - aldehydes-lyasesdelectrons dans la mitochondrie 4.4.3 - acyl-lyases ou acylsynthase4.1.5 - oxygenases 4.4.4 - hydratases et deshydratases4.2 - les transferases 4.5 - les isomerases4.2.1 - enzymes transferant un groupe methyle 4.5.1 - epimerisation4.2.2 - enzymes transferant des radicaux a 4.5.2 - oxydoreduction intramoleculaireplusieurs carbones 4.5.3 - transport de radicaux4.2.3 - enzymes transferant des molecules 4.6 - ligases (synthetases)glucidiques 4.6.1 - ligases formant les liaisons c-o4.2.4 - aminotransferases 4.6.2 - ligase formant des liaisons c-c4.2.5 - phosphotransferases 4.6.3 - ligases des liaisons c-s4.3 - les hydrolases 4.6.4 - ligases des liaisons c-n4.3.1 - hydrolases des glucides4.3.2 - hydrolases des esters phosphoriquesdoses
  39. 39. 4.1 - Les enzymes doxydoreduction etde fixation doxygeneLes réactions, qui échangent des électrons ou deshydrogènes, sont les plus fréquentes en biochimie,celles de fixation d’oxygène sont rares. Lesenzymes qui catalysent ces réactions sont appeléesdes déshydrogénases. Lorsque les enzymes fixentpréférentiellement des électrons ou deshydrogènes sur des substrats elles sont appeléesdes déshydrogénases ou des réductases ,les principales enzymes dOxydoréduction sont :
  40. 40. 4.1.1 – deshydrogenation des fonctionsalcool, carbonylesou carboxylesDans les réactions de dégradation le coenzyme oucofacteur des déshydrogénases est le NAD+ chargéde récupérer les électrons. Dans les réactions debiosynthèses les réactions de réductions sont lesplus fréquentes. Les électrons sont alors apportéspar le coenzyme NADPH,H+ . La séquence est lasuivante :R-CH2-OH ↔ R-CHO ↔ R-COOH
  41. 41. Quelques exemples : • alcool déshydrogénase (EC 1.1.1.1)CH3-CH2OH + NAD+ ↔ CH3-CHO + NADH,H+ • Malate déshydrogénase (EC .1.1.37)-OOC-CH2-CHOH-COO- + NAD+ ↔ -OOC-CH2-CO-COO- + NADH,H+
  42. 42. 4.1.2 - Déshydrogénases faisantapparaitre des doubles liaisonsLe cofacteur accepteur des hydrogènes est le FAD.Il est lié à lenzyme par une liaison covalente. Onne citera que :Succinate déshydrogénase (EC 1.3.99.1)-OOC- CH2-CH2-COO- + FAD ↔ -OOC-CH=CH-COO- + FADH2
  43. 43. 4.1.3 - Déshydrogénases agissant surles fonctions azotéesElles utilisent comme cofacteur NAD+ ou NADP+.Nous citerons essentiellement la L glutamatedéshydrogénase (EC 1.4.1.3) qui joue un rôleimportant dans le métabolisme des acides aminés .Glutamate + NAD+ + H2O  a-cétoglutarate +NH3 + NADH,H+
  44. 44. 4.1.4 - Enzymes participant autransfert d‘électrons dans lamitochondrieCe sont des complexes multi-enzymatiquesregroupant plusieurs séquences de réactions. Ilsinterviennent dans la chaîne respiratoire :NADH-Coenzyme Q réductase (EC 1.6.99.3)NADH,H+ + Coenzyme Q  NAD+ + QH2
  45. 45. 4.1.5 - OxygénasesElles nutilisent pas loxygène pour dégrader unemolécule mais fixent loxygène sur le substrat pourcréer une fonction alcool par exemple. On parle de: • monooxygénases si un atome doxygène est fixé, lautre atome forme de leau avec H2 arraché à la molécule. • de dioxygénases si 2 atomes doxygène sont fixés.
  46. 46. 4.2 - Les TransferasesCes enzymes transfèrent des  le méthyle (-CH3),radicaux ou des groupes datomes  lhydroxyméthyle (-CH2OH),dune molécule (substrat  Carboxyle (-COOH),donneur) à une molécule  Groupement carboné(substrat accepteur). Leur nom comportant des fonctioncomplet comporte le donneur, aldéhydes ou cétones (-CHO)laccepteur, le radical transféré ou (-CO-R),suivi de transférase. Les groupes  Groupe acyle,transportés sont :  groupe osidyle,  amine,  phosphoryle,  etc...
  47. 47. 4.2.1 - Enzymes transferant un groupemethyleCe sont les méthyltransférases ou méthylases. Ledonneur est souvent la S-adénosylméthionine.On peut citer : • Protéines -N-méthyl transférase (EC 2.1.1.23) : elles méthylent les résidus basiques comme arginine et la lysine dans des protéines spécifiques. • ARNt-méthyl transférases (EC 2.1.1.29) : elles méthylent les résidus cytosine du ARNt. • ADN-méthyltransférases (EC 2.1.1.37). La méthylation porte sur la cytosine du DNA.
  48. 48. 4.2.2 - Enzymes transférant desradicaux à plusieurs carbonesOn peut citer : • la transcétolase (EC 2.1.1.1) • la transaldolase (EC 2.1.1.2)Ces deux enzymes sont importantes dans la voie despentoses phosphates. Elles échangent des radicauxcarbonés entre oses. • Acyltransférases (transacylase)Ici ce sont des radicaux acylés (R-CO-) qui sont transportés.On les retrouve dans la synthèse des lipides : • glycérol 3-phosphate acyltransférase (EC 2.3.1.1) • acyl-CoA + glycérol 3-P  Acylglycérol 3-è + HSCoA
  49. 49. 4.2.3 - Enzymes transferant desmolecules glucidiquesLes radicaux osidiques sont transférés sur desmolécules appropriées. En voici quelques exemples: • Glycogène phosphorylase (EC 2.4.1.1)glycogène(n) + ATP  glycogène (n-1) + glucose1-P + ADP • Glycogène synthaseUDPglucose + glycogène (n)  glycogène (n+1) +UDP
  50. 50. 4.2.4 - AminotransférasesElles transfèrent les groupements aminés. Lecoenzyme est le pyridoxal phosphate • Aspartate aminotransférase (EC 2.6.1.1)Aspartate + a-cétoglutarate  oxaloacétate +glutamate • Alanine aminotransférase (EC 2.6.1.2)Alanine + a-cétoglutarate  pyruvate +glutamate .
  51. 51. 4.2.5 - PhosphotransferasesLa fixation dun groupe phosphate à une moléculesert à son activation et à sa reconnaissance commesubstrat dans les réactions du métabolismeglucidique. On leur donne le nom de kinases ou dephosphorylases.Sur les oses : • Hexokinase (EC 2.7.1.1) • Glucokinase (EC 2.7.1.2) • Phosphofructokinase ou fructose 6-è kinase (EC 2.7.1.4)
  52. 52. 4.2.5 - PhosphotransferasesSur les lipides • Glycérol kinase (EC 2.7.1.30)Sur les molécules aminées • Créatine kinase (EC 2.7.3.1)ATP + créatine  Phosphocréatine + ADPSur les nucléosides et les nucléotides • Adénosine kinase (EC 2.7.1.20)ATP + Adénosine  ADP + AMP • Adénylate kinase (EC 2.7.4.3)ATP + AMP 2 ADP • les nucléosides monophosphates kinases • les nucléosides diphosphates kinases qui interviennent dans la synthèse des acides nucléiques.
  53. 53. 4.3 - Les HydrolasesCe sont des enzymes de dégradation. Ellesprovoquent la coupure dune molécule et fixent lesradicaux H et OH de l’eau sur les valences libérées.Ce sont des enzymes sans coenzymes. Ellesinterviennent sur les fonctions éthers, acétals,esters phosphoriques, liaisons O-O des peroxydes,C-N des amides. Il est très difficile de les classer.Le plus simple est détudier leur action surquelques groupes de molécules.
  54. 54. 4.3.1 - Hydrolases des glucidesOn les appelle des osidases. Elles coupent lesliaisons O-osidiques ou N-osidiques.Elles sont spécifiques de leurs substrats et delanomérie des carbones acétaliques. Sur les osideson distingue les a-glucosidases, ß-glucosidases, ß-galactosidases Sur les polyosides, on a les a-amylases, ß-amylases, elles hydrolysent toutes lesdeux les liaisons a(1,4) et l’amyloglucosidase quihydrolyse à la fois les liaisons a(1,4) et a(1,6).
  55. 55. 4.3.2 - Hydrolases des estersphosphoriques dosesOn y rencontre les phosphatases qui enlèvent legroupement phosphorique. Leurrôle est inverse de celui des kinases : • Glucose 6-phosphataseGlucose 6-P + H2O  Glucose + Pi • Glucose 1-phosphataseGlucose 1-P + H2O  Glucose + Pi • Fructose 1,6 bisphosphataseFructose-1,6-bisP + H2O  Fructose 6-P + Pi
  56. 56. 4.3.3 Hydrolases des lipides* Hydrolases des triglycérides- Triglycéride lipaseTriglycéride + H2O  2 Acides gras + 2-monoacylglycérol- Diglycéride lipase)Diglycéride + H2O  2 Acides gras + glycérol* Phospholipases : ces enzymes hydrolysent les phospholipides. Ondistingue selonle site daction de lenzyme- Phospholipase A1 (3.1.1.32) enlève lacide gras lié à la fonction alcoolprimaire du glycérol- Phospholipase A2 (3.1.1.4) enlève lacide gras lié à la fonction alcoolsecondaire du glycérol- Phospholipase C (3.1.1.4) intervient sur la fonction ester liant leglycérol et lephosphate- Phospholipase D (3.1.4.4.) sépare lacide phosphatidique de lalcool.
  57. 57. 4.3.4 - Hydrolases des peptides et desproteinesCes hydrolases interviennent sur la liaison peptidedes peptides et des protéines. On distingue lespeptidases et les protéinases selon que le produitde la réaction est un acide aminé ou un peptide.
  58. 58. Les peptidases- Aminopeptidases libèrent séquentiellement lesacides aminés N-terminaux.- Carboxypeptidases libèrent séquentiellement lesacides aminés C-terminaux.- Dipeptidases hydrolysent les dipeptides.
  59. 59. Protéinases : hydrolases des protéinesOn les appelle des endoprotéinases car elles coupentles liaisons peptidiques situées à lintérieur de laprotéine loin des acides aminés C et N terminaux. Onpeut les nommer suivant leur site daction ou lastructure des protéines elles-mêmes.- Selon leur lieu daction on distingue :· les protéinases des sucs digestifs· les protéinases du plasma sanguin· les protéinases du tissu conjonctif· les protéinases intracellulaires
  60. 60. Protéinases : hydrolases des protéines-Selon la structure, leur nom dérive de lacide aminé oudu métal situé au niveau de leur site catalytique . Cestainsi que nous distinguons :les sérine-protéinases· la trypsine du pancréas ( 3.2.21.4)· la chymotrypsine (3. 4. 21. 1) du pancréas· la thrombine (3.4.21.5) du plasma sanguinles thiol-protéinasesla papaïne (3.4.22.2) protéine végétaleles métalloprotéinasescollagénase (3.4.24;3)
  61. 61. 4.3.5 - Hydrolases des nucléosides,nucléotides et acides nucléiquesOn distingue les :Nucléosidases- Les Nucléosidases (3.2.2.1) Elles clivent les liaisonsN-osidiquesN-ribosyl-purine + H2O  purine + ribose- AMP-nucléosidase (3.2.2.4)AMP + H2O  Adénine + ribose phosphateNucléotidases- 5-Nucléotidases (3.1.3.5)Ribonucléoside 5-phosphate  Ribonucléoside +H3PO4
  62. 62. 4.3.5 - Hydrolases des nucléosides,nucléotides et acides nucléiquesNucléases ou hydrolases des acides nucléiquesElles clivent les liaisons phosphodiestérs des acides nucléiques.On distingue les endonucléases qui coupent des liaisons àlintérieur de la molécule et les exonucléases lorsquelles enlèventles nucléosides 5-phosphates les uns après les autres à partir delextrémité. • 3-Exonucléase ou Phosphodiestérase I (3.1.4.1), les mononucléotides 5- phosphates sont enlevés les uns après les autres à partir de lextrémité 3. • Désoxyribonucléase I (3.1.4.5) (DNAse 1), cest une endonucléase qui libère des oligodésoxynucléotides • Ribonucléase I (3.1.4.2.2), endonucléase contenue dans le suc pancréatique. Elle fragmente aussi les ARN en oligonucléotides. • Les enzymes de restriction appartiennent aussi à cette classe.
  63. 63. 4.3.6 - Hydrolases des esters ouanhydrides phosphoriques• Phosphatase alcaline (3.1.3.1) : elle nest active quen milieu alcalin, peu spécifique des monoesters alcalins, active dans toutes les cellules.• Phosphatase acide (3.1.3.2) : elle est active dans les cellules osseuses• ATPases ou adénosine triphosphatase (3.6.1.3)• Nucléoside diphosphatase (3.6.1.1)ADP (ou GDP) + H2O  AMP (ou GMP) + H3PO4• Pyrophosphatase (3.6.1) transforme le pyrophosphate en 2 orthophosphate
  64. 64. 4.4 - Les lyases ou synthasesOn y trouve les enzymes suivantes :décarboxylases, lyases proprement dites,synthases, hydratases, déshydratases, etc...
  65. 65. 4.4.1 - DécarboxylasesLe produit de réaction après le départ de CO2 estun carbonyle ou une amine • Acétoacétate décarboxylase (4.1.1.4)Acétoacétate  Acétone + CO2 • Lysine décarboxylase (4.1.1.18)Lysine  cadavérine + CO2
  66. 66. 4.4.2 - Aldehydes-lyasesLes enzymes font apparaître une liaison aldéhyde àla suite du clivage dune liaison -C-C dont lun descarbones porte une fonction alcool secondaire.Cest le cas de • fructose 1-6 bisphosphate aldolasefructose 1-6 bis(P)  3-(P)dihydroxyacétone + 3-(P)glycéraldéhyde
  67. 67. 4.4.3 - Acyl-lyases Ou AcylsynthaseCitrate synthase (4.1.3.7) On lappelle aussienzyme condensante. Cest une enzyme importantedu cycle de KrebsOxaloacétate + acétyl-CoA + H2O  Citrate +HSCoA
  68. 68. 4.4.4 - Hydratases Et DeshydratasesElles fixent ou enlèvent une molécule deau, à ne pasconfondre avec une hydrolaseR-CHOH-CH2-R ↔ R-CH=CH-R + H2OOn trouve dans ce groupe : • la fumarase ou fumarate hydratase (4.2.1.2)-OOC-CH=CH-COO- + H2O ↔ -OOC-CH2-CHOH-COO- • lénolase (4.2.1.11)2-phosphoglycérate ↔ Phosphoénolpyruvate + H2O
  69. 69. 4.5 - Les IsomerasesElles catalysent des changements de structure dansune même molécule sans changer sa formuleglobale (isomérisation Cis-trans, épimérisation,déplacement de radicaux, etc.)
  70. 70. 4.5.1 - Epimerisation• Ribulose 5-P 3-épimérase (5.1.3.2) enzyme de la voie des pentoses phosphateD-ribulose 5-P ↔ D-xylulose 5-phosphate• UDP glucose 4-épimérase ↔ UDP galactoseUDP glucose 4 ↔ UDP galactose
  71. 71. 4.5.2 - Oxydoreductionintramoleculaire• triose phosphate isomérase (5.3.1.1)• Glucose 6-phosphate isomérase (5.3.1.10)
  72. 72. 4.5.3 - Transport de radicaux• Phosphoglycérate mutase (5.4.2.1)• Méthyl malonylCoA carboxymutase (5.4.99.2)
  73. 73. 4.6 - Ligases (synthetases)Elles forment des liaisons C-C, C-N, C-S, C-O, O-Pgrâce à lutilisation de lénergie fournie parlhydrolyse concomitante dun groupementphosphate ou pyrophosphate de lATP4.6.1 - Ligases formant les liaisons C-O4.6.2 - Ligase formant des liaisons C-C4.6.3 - Ligases des liaisons C-S4.6.4 - Ligases des liaisons C-N
  74. 74. 5-Catalyse enzymatiqueMécanismes
  75. 75. Catalyse enzymatique• La catalyse est un processus qui augmente le taux par lequel une réaction atteint l’équilibre.• La raison que les enzymes sont des catalyseurs puissants est due à leur spécificité de liaison au substrat et leurs arrangements optimaux des groupements catalytiques.
  76. 76. Les mécanismes que les enzymes utilisent sontclassifiés de manière suivante :• Lenzyme fournit les groupes accepteur/donneur de protons, dans un mécanisme de catalyse acide/base.• L’enzyme peut se combiner de façon covalente avec le substrat pour former un intermédiaire qui permet une réaction plus rapide.• Lenzyme utilise des ions comme co-facteurs, pour stabiliser différentes charges (intermédiaires), pour ioniser les molécules deau et les rendre plus nucléophiles, et/ou pour cacher des charges.
  77. 77. • Lenzyme utilise les forces électrostatiques, pour aligner le substrat et stabiliser létat de transition.• Lenzyme fixe le substrat de telle sorte que les liens réactionnels sont situés près du site catalytique et sont orientés de telle sorte que létat de transition est atteint très rapidement.• Lenzyme peut induire la distorsion et/ou la tension au niveau du lien à couper, ce qui le déstabilise et le rend plus facile à couper. Lenzyme fixe donc préférentiellement le substrat sous forme détat de transition.
  78. 78. 1)Mécanisme de proximité etorientation du substratPrincipe d’alignement des orbitales du substrat et del’enzymeL’enzyme et le substrat s’orientent de telle manière que lesliaisons attaquables sont très proches les unes aux autres ,ou de manière à ce que les groupements catalytiquesforment un état transitoire beaucoup plus facilement
  79. 79. 2) Catalyse covalenteCertaines enzymes peuvent se combiner avec leur substrat pour formerun complexe covalent instable qui subirait facilement la réactionpermettant de former le produit • Les complexes covalents : formation de base de Schiff : intermédiaire formé entre un grpt NH2-lys et un H du substrat ,Ex : transaminase • Les enzymes peuvent être classées selon leur intermédiaire covalent , selon le type d’AA du site actif sur lequel réagit le substrat ▫ Enzyme à Ser : permettant des réactions de transfert d’acyls par un grpt Phosphate ▫ Enzyme à Cys : permettant la formation d’une liaison thioi-ester entre SH de Cys du site actif et un grpts acyl du substrat ▫ Enzyme à His : permettant le transfert d’un grpmt Phosphate par l’intermédiaire de l’imidazole ▫ Enzyme a Lys : liaison NH2--- COOH du substrat
  80. 80. La catalyse covalente se divise en deux étapes :1) la réaction nucléophile entre le catalyseur et lesubstrat afin de former une liaison covalente2) le retrait délectron du centre réactionnel par lecatalyseur qui est devenu électrophileBut : le complexe intermédiaire instable diminue labarrière énergétique par une attaque par un grpmtnucléophile de l’AA du site actif sur un grpmtélectrophile du substrat .
  81. 81. 3) Catalyse acide - base02 types • Catalyse acide – base spécifique : dont l’activation est proportionnelle à la concentration des ions H+ et OH- • Catalyse acide – base générale : dont l’effet activateur est proportionnel a la concentration des acides généraux et bases généralesLes enzymes possèdent au niveau du site actif des grpmtfonctionnels qui peuvent se comporter comme des acidesgénéraux ou base générales qui comportent des grpmt :COOH , NH2 , SH , phénol , imidazol .Pour le grpt imidazole de l’His : grpt très puissant de lacatalyse acide-base ; il est très réactif à cause du pK ; peutagir comme donneur ou accepteur de protons
  82. 82. Réaction catalysée parRibonuclease A illustre lacatalyse acide - basegénérale :La RNase A est unenzyme digestif quihydrolyse l’ARN. Le profilpH de la réactiondémontre un maximumvers pH de 6 etcorrespond en effet àlionisation de deuxgroupements, His 12 etHis 119.
  83. 83. Deux acides aminés histidines (His 12 et His 119)agissent de façon concertée dans un mécanismeacide/base.1) His 12 agit comme la base, retirant un protondu groupe 2-OH de l’ARN, ce qui permet uneattaque nucléophile sur latome de phosphoreadjacent. De même, His 119 agit comme un acideet provoque le bris du lien en protonant le groupeR-O-.2) Lintermédiaire 2-3-cyclique est hydrolysé parle processus inverse de l’acide/base. His 12 estmaintenant lacide et His 119 la base.
  84. 84. 4 )Catalyse métallo-dépendantePresque un tiers des enzymes connus sont dépendantsdes ions métalliques pour leur catalyseLes métalloenzymes se divisent en deux classes quisont distinguées par la force des interactions protéine- ion : a)Métalloenzymes possédant des ions métalliques fortement liés comme Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+, ou Co2+. b) Des enzymes activés par des ions métalliques faiblement lie en solution comme Na+, K+, Mg2+, ou Ca2+.
  85. 85. Les ions de métal participent à la catalyse en troisfaçons majeures : 1) dans la liaison des substrats afin de lorienter 2) facilitation des réactions oxydation-réduction par leurs changements réversibles de leur état doxydation 3) Stabilisation électrostatique des charges négativesLes métaux sont très souvent des meilleurscatalyseurs que des protons parce que les ionsmétalliques peuvent être présents en hautesconcentrations et possèdent des charges stable
  86. 86. Lenzyme d’anhydrase carbonique est un bonexemple. Lenzyme utilise le zinc pour catalyser laréaction :CO2 + H2O ⇌ HCO3- + H+ en trois étapes.
  87. 87. 1) coordination d’une molécule de zinc par troishistidines et une molécule deau. Il est postulé quelionisation de la molécule deau est facilitée parcatalyse base générale impliquent le résidu histidine-64 voisin
  88. 88. 2) attaque nucléophile par le OH- du CO2 et laconversion en HCO3-3) régénération du site catalytique par la liaisondune autre molécule de H2O possiblement avantle départ de HCO3- à travers un intermédiaire ducomplexe de zinc penta coordonné.
  89. 89. 5) Catalyse électrostatiqueLes distributions de charges dans un site actif sontarrangées afin de stabiliser les états de transition.Les simulations sur ordinateur indiquent que laréduction de la barrière de l’état de transition pardes effets électrostatiques est un composantimportant de catalyse. On pense que lenzymepliée fournit un environnement polaire pré-organisé qui déjà est partiellement orienté pourstabiliser létat de transition.
  90. 90. 6) l’effet de torsion ou de distorsionLa catalyse enzymatique est basée sur la relationentre la conformation enzymatique et l’activitéenzymatiqueL’enzyme peut produire une torsion ou unedistorsion de la liaison sensible à l’attaque dusubstrat ce qui la rend plus facile à rompreLa catalyse enzymatique estun moyen de diminution del’energie d’activation
  91. 91. 6-Les Isoenzymes
  92. 92. Isoenzyme : définitionLes isoenzymes sont des formes différentes d’une enzyme catalysant lamême réaction biochimique .Ces formes multiples peuvent apparaitre dans les même espèces , lesmême tissus , ou même dans les même cellules .Elles diffèrent généralement par leurs : • Ppté physicochimiques (PM, mobilité, pH …) • Ppté cinétiques (Km , Vmax…) • Ppté régulatrices ( inhibiteurs , activateurs ) • Type de cofacteurs utilisés (NAD et NADP …) • Distribution subcellulaire (soluble , membranaire )Cette différence est due aux variations au niveau de leurs structuresprimaires ( séquence en AA similaires mais non identiques )Généralement ces différentes formes partagent la même originegénétique mais parfois elles dérivent de gènes différents
  93. 93. Causes de variabilité1) Modification de la charge électrique :La modification de la charge d’une protéine suite àun changement de la structure primaire, peutrésulter d’une mutation ponctuelle, par exemple.Les conséquences qui en résultent peuvent donnerdes électrophorèses "anormales"
  94. 94. 1) Modification de la charge électrique
  95. 95. 2) Modifications post-traductionnellesLes modifications post-traductionnellesconduisant aux associations de sous-unités et lamise en place de structures tertiaires ouquaternaires, formation de complexes avec desglucides et des acides nucléiques, adénylation,phosphorylation, dégradation sélective...
  96. 96. IntérêtL’organisme doit réguler les activités catalytiquesde ses enzymes afin de coordonner ses nombreusesvoies métaboliques , la présence des isoenzymescontribue à cette régulation :1) Régulation des voies métaboliques différentes selon les organes Ex : Glycogène phosphorylase hépatique et musculaire , leur régulation est différente reflétant les rôles différents de la glycogénolyse dans ces deux organes
  97. 97. 2) Régulation à l’intérieur de la cellule par la présence des formes différentes d’enzymes Ex : isoenzymes de l’isocitrate déshydrogénase IDH1  cytoplasme  NADP dépendante IDH2  mitochondrie  NADP dépendante IDH3  mitochondrie  NAD dépendante Réaction anabolique Phosphorylationréductrice ( synthèse des oxydative (Production AG ) d’énergie )
  98. 98. 3) L’adaptation fine des vitesse métabolique parl’intermédiaire de réponses différentes des formesisoenzymatiques à des modulateur allostérique .Ex : la glucokinase du foie et les isoenzymeshexokinase d’autres tissus différent par leursensibilité à l’inhibition par leur produit : leglucose 6 phosphate ( le G6P est un inhibiteur del’héxokinase , mais n’agit pas sur la glucokinase ).
  99. 99. Exemples d’isoenzymes • LDH • CPK • a Amylase • Phosphatase alkaline
  100. 100. LDH : lactate déshydrogénaseDéfinition :Ce sont des enzymes cytoplasmiques catalysant lesréactions de réduction céto-acides en acide-alcool.La LDH est présente dans de nombreux tissus, ellenest pas spécifique.
  101. 101. Structure :La L-lactate déshydrogénase à NADH est uneenzyme tétramérique. Chez les mammifères,chaque sous-unité peut être soit de type H (anglaisheart = cœur) ou M (muscle) .Suivant le type dassemblage formé, Il y a donccinq isotypes de LDH : ▫ LDH1 = H4 (4 sous-unités heart) ▫ LDH2 = H3M ▫ LDH3 = H2M2 ▫ LDH4 = HM3 ▫ LDH 5= M4 (4 sous-unités muscle).
  102. 102. En électrophorèse, à pH alcalin :• La LDH1 est présente dans le cœur, mais également dans le cerveau, le rein, les hématies : elle est dite également hydroxybutyrate deshydrogénase, ou a HBDH.• La LDH3 et LDH4 existent dans les poumons.• La LDH5 est présente dans le foie et les muscles du squelette.
  103. 103. Les proportions des isoenzymes :  LDH1 : 30 à 35 % des LDH totales  LDH2 : 35 à 40 %  LDH3 : 17 à 23 %  LDH4 : 0 à 7 %  LDH5 : O à 9 % Chaine H Chaine M
  104. 104. CK : Creatine kinaseEnzyme musculaire présente essentiellement dansle muscle strié.Elle possède donc un rôle fondamental dans lacontraction musculaire en constituant des réservesen énergie pouvant être directement utilisables parla cellule.
  105. 105. Les isoenzymes de la CK :La CK est formée de deux sous unité M et BIl existe plusieurs isoenzymes de la CK.Principalement trois fractions sont connues : ▫ CK-MM qui se trouve en majorité dans le tissu musculaire ; ▫ CK-MB qui se trouve en majorité dans les cellules myocardiques ; ▫ CK-BB qui se trouve en majorité dans le cerveau.
  106. 106. a-AmylaseDéfinition :Lamylase (EC 3.2.1.1) est une enzyme digestiveclassée comme saccharidase (enzyme qui brise lespolysaccharides). Cest surtout un constituant dusuc pancréatique et de la salive, requis pour lecatabolisme des glucides à longue chaîne (commelamidon) en unités plus petites
  107. 107. Isoenzymes :Il y a deux iso-enzymes de lamylase : lamylasepancréatique et lamylase salivaire. Elles secomportent différemment au focusingisoélectrique, et peuvent être séparées en testantpar les anticorps monoclonaux spécifiques. laptyaline ou amylase salivaire est une substance quiexiste dans la salive
  108. 108. Les phosphatases alcalinesDéfinition :Ce sont des métallo-enzymes contenant du zinc.Elles sont dimériques et hydrolysent les estersphosphoriques à pH alcalin
  109. 109. les isoenzymes de la PAL :Il existe au moins 4 isoenzymes de la PAL, codéspar des gènes distincts.Les 3 premiers gènes sont localisés sur des régionscontiguës du chromosome 2. Ils codentrespectivement pour les PAL: ▫ placentaire ▫ intestinale ▫ des cellules germinales.Le 4ème gène est localisé sur le chromosome 1. Onlappelle le gène des tissus non spécifiques, enraison de la diversité des tissus où il sexprime.Ex: dans le foie, la phosphatase hépatiqueDans los, la phosphatase osseuse.
  110. 110. • La fraction hépatique représente 30 à 50 % des PAL.• La fraction osseuse représente 50 à 70 % des PAL. Elle est même égale à 90 % pendant lenfance. Elle se module selon lâge: elle augmente chez lenfant et le vieillard.• La fraction intestinale représente 0 à 20 % des PAL.
  111. 111. Caractérisation des isoenzymes :Elles diffèrent par: ▫ leur charge moléculaire, ▫ leur sensibilité à la chaleur, ▫ leur réactivité immunologique ▫ laction de certains inhibiteurs.Ainsi on peut les isoler et les caractériser
  112. 112. Variation des isoenzymes :• La fraction hépatique sélève lors de maladies hépatiques• la fraction osseuse augmente en pathologie lors dostéosarcome ou de maladie de Paget• la fraction intestinale augmente lors dune cirrhose.• la fraction placentaire augmente lors du 3ème trimestre de la grossesse.• les enzymes onco-fœtales sont retrouvés dans des pathologies tumorales. Il en existe 3 catégories : Reagan , Kasahara , Nagao
  113. 113. 7- Coenzymes
  114. 114. 1 - définitionLe coenzyme est une molécule organique d’originevitaminique non synthétisé par l’organisme le plussouvent , indispensable pour la catalyseenzymatique
  115. 115. 2 – caractéristiques des coenzymes1. Thermostable , donc non protéique2. De faible poids moléculaire3. La plus part dérvivent des vitamines fournies par l’alimentation4. Possèdent des cycles et des hétérocycles avec une structure fortement conjuguée (pptées spectrales )5. Participent de marniere stoechiométrique dans la réaction (mole à mole )6. Se retrouvent intact à la fin de la réaction7. Ils transfèrent d’une unité à une autre une entité X ( éléctron , acyle , P ) en le prenant transitoirement en charge8. N’interviennent pas dans la spécificité de la réaction
  116. 116. 3 – classification des CoenzymesOn a deux classification :1. Selon le mode de liaison à l’apoenzyme 1. Coenzyme lié ou groupement prosthétique = coenzyme activateur 2. Coenzyme libre ou cosubstrat = conenzyme transporteur2. Selon la réaction catalysée par l’enzyme : 1. Coenzyme d’oxydoréduction 2. Coenzyme de transfert de groupement
  117. 117. 1- selon le mode de liaison àl’apoenzyme1 – Coenzyme liés ou groupements prosthétiques =coenzyme activateur1. Ils sont solidement fixes à l’apoenzyme par des liaisons fortes (covalentes) et/ou faibles (ioniques , hydrogène)2. Ainsi , ils sont spécifiques d’une seule enzyme et ils ne s’en détachent pas au cours de la réaction3. Ils fonctionnent dans une seule réaction au cours de laquelle ils charent puis déachargent X ( ou rarement dans 2 réactions mais intimement liées au sein dun complexe enzymatique)4. Leur séparation de l’apoenzyme peut entrainer la dénaturation de l’enzyme EX. de CoE groupement prosthétique : le FAD
  118. 118. 2- Coenzyme libres ou cosubstrats = coenzymestransporteurs1. Ils se lient à l’enzyme de manière transitoire (par liaisons faibles) et sont donc facilement dissociables de l’enzyme (par dialyse)2. Ils fonctionnent dans 2 réactions enzymatique différentes : 1. La 1ere réaction : il chargent X 2. La 2eme réaction : ils déchargent X . Le CoE joue le role d’un 2eme substrat pour l’enzyme3. Ils sont souvent modifiés après la réaction et doivent être ensuite régénérés par une 2eme enzyme4. Plusieurs enzymes peuvent utiliser le meme coenzyme EX de CoE Cosubstrat : le NAD
  119. 119. Les coenzyme d’oxydoréductionCe sont les cofacteurs des oxydoréductasesCes enzymes peuvent etres classées en 4 groupesselon la nature de l’accepteur d’é ou des atomesd’H cédés par le substrat déduit AH2 :
  120. 120. 1- les oxydasesL’accepteur de l’H est l’O2AH2 + ½ O2  A + H2OExemple : la cytochrome oxydase ( CoE héminique)  de la chaine réspiratoire
  121. 121. 2-Les déshydrogénasesL’accepteur d’é ou d’H est un autre substrat que l’O2AH2 + B  A+ BH2Exemple :• La glycérol-3-phosphate DH ( CoE à NAD )  glycolyse• La succinate DH ( CoE à FAD )  cycle de KREBS
  122. 122. 3- les hydro peroxydasesL’accepteur de l’H est le peroxyde d’hydrogèneH2O2Exemple :• La catalase : 2 H2O2  2 H2O +O2• Peroxydases : AH2 + H2O2  A+ 2 H2O
  123. 123. 4- les oxygénaseL’oxygène est fixé directement sur une moleculede substrat4-1 les mono oxygénases :a) Les hydrolases fixent un atome d’O sur un substrat principal AH, l’autre atome doxygene étant réduit en H2O grâce à 2 proton fournis par une substrat BH2 Ex : phénylalanine monooxygénase = PAHydrolase
  124. 124. b) Les désaturease ( à CoE héminique ) fixe unatome d’oxygéne sur les 2 atome d’H fournis par lesubstrat primaire cr »ant une double liaison , etl’autre atome d’O sur les 2 atomes de H fournispar le substrat secondaireEx : la stéaryl-COA désaturase4-2 les dioxygénases : ( fixent 2 atomes d’O surla molécule du substrat )Ex : la tryptophane dioxygénase
  125. 125. COENZYMES DE TRANSFERT DEGROUPES1. PYRIDOXAL PHOSPHATE (PLP)2. PYROPHOSPHATE DE THIAMINE (TPP)3. BIOTINE4. FOLATES (vit B9)5. COBALAMINE (vitamine B12)6. COENZYME A7. NUCLEOSIDES 5 MONO ET POLYPHOSPHATES
  126. 126. 1. PYRIDOXAL PHOSPHATE (PLP)Réactivité :1. Transamination entre un a aminoacide et un a cétoacide2. Décarboxylation3. Racémisation
  127. 127. Transamination entre un a aminoacideet un a cétoacide
  128. 128. 2. PYROPHOSPHATE DE THIAMINE (TPP)Principaux types de réactions catalysées :1. Décarboxylation dacides a cétoniques2. Réactions de transcétolisation
  129. 129. 3. BIOTINERéactivité :1. Carboxylation2. Décarboxylation3. Transcarboxylation
  130. 130. FOLATES (vit B9)
  131. 131. Réactions catalysées
  132. 132. Réactions catalysées
  133. 133. 5. COBALAMINE (vitamine B12) Types de réactions où intervient le coenzyme B12 1. Isomérisations 2. Transfert de groupe CH3 le cobamide coenzyme B12 R = — 5 désoxyadénosine les vitamines B12 : R = — CN pour la cyanocobalamine (vit B12) R = — OH pour lhydroxycobalamine (vit B12a) R = — CH3 pour la méthylcobalamine (méthyl B12)
  134. 134. 6. COENZYME A
  135. 135. Réactions catalysées1. Réactions dacylation2. Réactions de condensation
  136. 136. 7. NUCLEOSIDES 5 MONO ETPOLYPHOSPHATES
  137. 137. Propriétés de lATP1. Hydrolyse de lATP2. Complexation
  138. 138. Principaux types de réactions ouintervient lATP1. Transfert de phosphate2. Transfert de pyrophosphate3. Transfert dadénosine monophosphate
  139. 139. Autres nucléosides phosphates1. Nucléosides diphospho – oses2. Nucléosides monophosphate cycliques
  140. 140. COENZYMES DOXYDO-REDUCTION1. COENZYMES NICOTINIQUES2. COENZYMES FLAVINIQUES3. COENZYMES QUINONIQUES4. ACIDE LIPOIQUE5. ACIDE ASCORBIQUE6. LE GLUTATHION
  141. 141. 1. COENZYMES NICOTINIQUES
  142. 142. Propriétés optiques des coenzymespyridiniques
  143. 143. Principaux types de réactionscatalysées par les coenzymespyridiniques1. Oxydation dalcools primaires2. Oxydation dalcools secondaires3. Oxydation daldéhydes hydratés4. Transformation damines primaires en cétones
  144. 144. 2. COENZYMES FLAVINIQUES
  145. 145. Réactions catalysées par lescoenzymes flaviniques1. Hydrogènes provenant dun substrat réduit XH22. Hydrogènes issus de coenzymes nicotiniques réduits
  146. 146. 3. COENZYMES QUINONIQUES
  147. 147. 4. ACIDE LIPOIQUE
  148. 148. 5. ACIDE ASCORBIQUE
  149. 149. 6. LE GLUTATHION
  150. 150. SITE ACTIF
  151. 151. La fonction des enzymes est liée à la présencedansleur structure (secondaire et tertiaire) dun siteparticulier appelé le site actifSchématiquement, il a la forme dune cavité ou dunsillon dans lequel vont se fixer les substrats grâce àplusieurs liaisons chimiques faibles. Une fois fixés, lessubstrats vont réagir et se transformer en produit.La représentation de la structure du site actif desenzymes a évolué avec les progrès réalisés à la foisdans la détermination expérimentale de la structuredes protéines et dans le développement des logicielsde visualisation de ces structures
  152. 152. Il est constitué de deux parties :1. Le site de reconnaissance (ou site de liaison au substrat); permettant de fixer le substrat grâce à certains acides aminés2. Le site catalytique (où a lieu la transformation du substrat);permettant de transformer le substrat grâce à des acides aminés qui interagissent avec le substrat.
  153. 153. Reproduction de la premièrereprésentation schématique d’unsubstrat dans son site actif due à E.F.ARMSTRONG (1904) :A cette époque, le glucose était représentésous la forme d’un cycle à 5 pièces et lastructure de l’enzyme dont la nature n’étaitpas établie était matérialisée par un traitgras. Malgré sa simplicité, cettereprésentation mettait déjà en évidence lecontact intime existant entre l’enzyme et lesubstrat.
  154. 154. Représentation moderne du site actifde la chymotrypsine (code pdb :1GG6) occupé par un inhibiteur àl’aide du logiciel VMD (HUMPHREY,DALKE et SCHULTEN, 1996) :L’enzyme est représenté sous la forme d’unesurface. Les parties ombrées indiquent lesrésidus essentiels directement impliquésdans la catalyse chimique ou dans lafixation de l’inhibiteur. L’inhibiteur estreprésenté de manière simplifiée (Imagepréparée par H. VALADIE).
  155. 155. Chymotrypsine - Site actif
  156. 156. 2 modèles :• Clé-serrure (modèle de Fischer)• Adaptation induite (modèle de Koshland)2 évènements :• Reconnaissance, orientation, placement, disposition du substrat (site actif)• Transformation du substrat (site catalytique)
  157. 157. Illustration du sit actif/catalytiqu àl’aide d’exemplesL’hexokinaseLe lysozymeL’a-chimotrypsine
  158. 158. 1) L’hexokinase
  159. 159. l’hexokinase un modèle de l’adaptationinduitehexokinase avant liaison du D- hexokinase après liaiso du D-glucose glucose

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