Les enzymes, des catalyseurs sur mesure : site actif, spécificité et vitesse

Garde un morceau de pain une minute en bouche sans l'avaler : il devient sucré. Ta salive contient une enzyme, l'amylase, qui découpe l'amidon du pain en maltose, un sucre. Sans elle, à 37 °C, cette réaction serait si lente qu'elle passerait inaperçue. Presque toutes les réactions du vivant dépendent ainsi d'enzymes.

Un catalyseur biologique

Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction chimique : elle l'accélère, souvent de plus d'un million de fois, sans être consommée et sans changer les produits obtenus. Elle agit en très petite quantité, à la température du corps, et sert des milliers de fois : une molécule de catalase du foie peut décomposer plusieurs millions de molécules d'eau oxygénée par seconde. Son nom finit souvent en « -ase » : amylase, lactase, lipase, protéase…

La molécule transformée est le substrat, ce qui en sort est le ou les produits. On résume : E + S → ES → E + P, où ES est le complexe enzyme-substrat.

Le site actif, une poche sur mesure

Une enzyme est formée d'une ou plusieurs chaînes de centaines d'acides aminés, repliées dans l'espace. Une petite région, le site actif, est formée de quelques acides aminés, parfois éloignés dans la chaîne mais rapprochés par le repliement. Sa forme et ses propriétés chimiques sont complémentaires du substrat : celui-ci s'y fixe, il est transformé, puis les produits sont libérés. Au modèle « clé-serrure » d'Emil Fischer (1894), on préfère celui de l'ajustement induit (Daniel Koshland, 1958) : le site actif se déforme légèrement en accueillant le substrat.

Cette forme dépend de la séquence des acides aminés, donc du gène : une mutation peut rendre l'enzyme inactive, comme dans la phénylcétonurie, où l'enzyme qui transforme la phénylalanine est déficiente (maladie dépistée à la naissance en France).

Une double spécificité

• Spécificité de substrat : une enzyme ne reconnaît qu'un substrat, ou quelques molécules très proches.
• Spécificité d'action : sur un même substrat, chaque enzyme catalyse une seule réaction. Le glucose est oxydé par la glucose oxydase, mais phosphorylé (il reçoit un groupement phosphate) par l'hexokinase.

Exemple 1 : la glucose oxydase à l'épreuve. Dans une cuve de glucose oxydase munie d'une sonde à dioxygène, on ajoute du glucose : le dioxygène chute, car la réaction en consomme. Avec du galactose, qui ne diffère du glucose que par l'orientation d'un seul groupement OH, ou avec du fructose, la courbe reste plate. De même, l'amylase découpe l'amidon mais pas la cellulose, deux chaînes de glucose dont les liaisons ne sont pas orientées de la même façon : la cellulose de la salade échappe à tes enzymes digestives.

La cinétique : mesurer une vitesse

On suit l'apparition du produit au cours du temps : la courbe monte vite, ralentit, puis atteint un plateau quand le substrat est épuisé. La vitesse initiale (vi) est la pente au début de la courbe, quand le substrat est encore abondant.

Exemple 2 : calculer vi. Dans un tube d'amidon et d'amylase à 37 °C, il apparaît 1,2 mmol/L de maltose pendant les 3 premières minutes : vi = 1,2 ÷ 3 = 0,4 mmol/L par minute.

Exemple 3 : la saturation. On mesure vi pour des concentrations croissantes de substrat (en mmol/L) : 2 µmol/min pour 1 ; 3 pour 2 ; 4 pour 4 ; 5 pour 10 ; 5,5 pour 20. Doubler le substrat de 1 à 2 augmente vi de 50 % ; de 10 à 20, seulement de 10 %. La vitesse tend vers une vitesse maximale : tous les sites actifs sont occupés, l'enzyme est saturée, comme des caisses de supermarché toutes prises. En revanche, si le substrat est en excès, doubler la quantité d'enzyme double vi.

Température, pH et inhibiteurs

• Température : vi augmente avec la température jusqu'à un optimum, vers 37-40 °C pour la plupart des enzymes humaines, puis s'effondre : la chaleur détruit les liaisons faibles qui maintiennent la forme de la protéine. C'est la dénaturation, le plus souvent irréversible. Le froid, lui, ralentit les enzymes de façon réversible : c'est le principe du réfrigérateur. La broméline de l'ananas frais, une protéase, empêche une gelée de prendre ; celle de l'ananas en conserve, chauffée, non.
• pH : chaque enzyme a son pH optimal : vers 2 pour la pepsine de l'estomac, vers 7 pour l'amylase salivaire, vers 8 pour la trypsine pancréatique, dans l'intestin. Loin de cet optimum, les charges électriques des acides aminés changent et le site actif se déforme.
• Inhibiteurs : certaines molécules se fixent sur l'enzyme et la bloquent, comme l'aspirine, qui inhibe des enzymes produisant des messagers de l'inflammation.

À retenir

• Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction précise sans être consommée.
• Le substrat se fixe sur le site actif, de forme complémentaire, et forme un complexe enzyme-substrat avant d'être transformé.
• Une enzyme présente une double spécificité : de substrat et d'action.
• La vitesse initiale croît avec la concentration de substrat jusqu'à un maximum (saturation) ; elle est proportionnelle à la quantité d'enzyme.
• Température et pH ont un optimum ; une forte chaleur dénature l'enzyme de façon irréversible.

★ Pour aller plus loin

La bactérie Thermus aquaticus, découverte dans les sources chaudes de Yellowstone, possède une ADN polymérase, la Taq, qui résiste à près de 95 °C : elle a rendu possible la PCR (Kary Mullis, prix Nobel de chimie 1993), base de nombreux tests de diagnostic.

Tous les catalyseurs du vivant ne sont pas des protéines : Thomas Cech et Sidney Altman (prix Nobel de chimie 1989) ont découvert des ARN catalytiques, les ribozymes.

Sources pour creuser

• Campbell Biologie : le manuel universitaire de référence.
• Hervé This, Les Secrets de la casserole : la chimie de la cuisine expliquée.
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : cherche « enzymes ».
• C'est toujours pas sorcier (France 4) : « Manger, digérer : l'aventure intérieure ».
• lumni.fr et planet-vie.ens.fr.