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Fiche explicative de la leçon : Action enzymatique Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les propriétés des enzymes et l’analogie clé-serrure de l’action des enzymes.

Les réactions chimiques nécessitent toutes un apport d’énergie pour s’initier, appelée l’énergie d’activation. Les catalyseurs accélèrent la vitesse des réactions sans être eux-mêmes consommés. Les organismes doivent dépenser leur énergie de manière judicieuse et efficace;ils utilisent donc des catalyseurs biologiques appelés enzymes pour réduire l’énergie d’activation nécessaire à une réaction. Cela réduit la consommation d’énergie globale des organismes.

La plupart des enzymes sont des molécules protéiques qui ont de nombreuses fonctions utiles dans les organismes vivants. Les catalyseurs biologiques sont utilisés dans tous les processus biologiques qui se déroulent dans nos cellules, de la respiration à la digestion en passant par la réponse immunitaire.

La présence d’enzymes signifie que davantage de réactions chimiques peuvent se dérouler dans un laps de temps donné que s’il n’y en avait pas, ce qui augmente la vitesse de réaction. Vous pouvez voir sur la figure 1 ci-dessous que l’énergie fournie à une réaction est beaucoup plus élevée sans enzyme qu’avec l’enzyme. Imaginez que cette seule réaction se produise des milliers de fois, et vous comprendrez pourquoi il est plus énergétiquement économique d’utiliser une enzyme dans les réactions biologiques. De nombreuses réactions essentielles se produisant dans nos cellules sont tout simplement trop lentes pour se produire seules. Par exemple, si les enzymes impliquées dans la respiration ne fonctionnaient pas correctement, nous ne serions pas en mesure de libérer suffisamment d’énergie dans nos cellules pour survivre. Sans enzymes, nous serions morts!

Figure 1 : Deux schémas montrant l’énergie d’activation (l’énergie nécessaire pour qu’une réaction se produise) avec et sans enzyme. Avec l’enzyme, l’énergie d’activation est beaucoup plus faible, et la réaction peut donc se produire plus rapidement.

Définition: Enzyme

Une enzyme est un catalyseur biologique qui accélère la vitesse des réactions sans être consommé.

Définition: Catalyseur

Un catalyseur est une substance qui réduit l’énergie d’activation nécessaire à la production d’une réaction chimique sans être elle-même consommée, de sorte que la réaction globale se produit à un rythme plus élevé.

Définition: Énergie d’activation

L’énergie d’activation est la quantité minimale d’énergie nécessaire pour qu’une réaction se produise.

Exemple 1: Définir les enzymes

Laquelle des affirmations suivantes définit correctement une enzyme?

  1. Une enzyme est un catalyseur inorganique.
  2. Une enzyme est un catalyseur biologique.
  3. Une enzyme est une molécule qui a été décomposée.
  4. Une enzyme est une réaction rapide.
  5. Une enzyme est un produit de la digestion.

Réponse

Une enzyme est un catalyseur qui augmente la vitesse d’une réaction en abaissant l’énergie d’activation requise pour qu’une réaction se produise.

L’option C, qui décrit une molécule qui a été décomposée, fait référence à un produit et est donc incorrecte pour notre définition d’une enzyme. Les enzymes sont utilisées dans la digestion, mais elles n’en sont pas le produit, alors l’option E est également incorrecte. Les enzymes accélèrent la réaction, mais elles ne sont pas une réaction en soi, mais une molécule physique, donc D est incorrecte, ce qui nous laisse avec les options A et B. Une molécule inorganique signifie qu’elle ne contient pas de carbone, ce n’est donc pas une matière biologique.

Comme les enzymes sont des protéines impliquées dans les réactions biologiques, ce sont des molécules organiques, ainsi notre définition correcte est B:une enzyme est un catalyseur biologique.

Les enzymes sont des protéines. Les enzymes ont généralement une forme globulaire, et ont à leur surface une région appelée le site actif. Chaque enzyme possède un site actif différent, de forme spécifique. En effet, chaque type d’enzyme est adapté à une ou à quelques molécules spécifiques qui s’y lieront, appelées les substrats. Lorsque le substrat est lié au site actif de l’enzyme, il deviennent ensemble un complexe enzyme-substrat, comme le montre la figure 2 ci-dessous. Certains substrats peuvent se lier à différentes enzymes, mais elles doivent toutes avoir un site actif spécifique à ce substrat particulier.

Figure 2 : Schéma montrant la structure d’une enzyme, y compris son site actif auquel une molécule de substrat se lie pour former un complexe enzyme-substrat.

Définition: Site actif

Le site actif est la région à la surface d’une molécule enzymatique à laquelle un substrat spécifique va se fixer pour effectuer une réaction chimique.

Définition: Substrat

Le substrat est la molécule, ou une combinaison de molécules, qui sont de forme spécifique et complémentaire au site actif d’une enzyme.

Par exemple, le substrat pourrait être du lactose, une molécule de sucre présente dans le lait qui lui donne sa douceur. L’enzyme lactase, un exemple de carbohydrase, possède un site actif qui a une forme spécifique et unique aux molécules de lactose. La lactase décompose le substrat lactose en molécules plus petites de sucres glucose et galactose, appelés les produits, qui sont ensuite libérés du site actif de la lactase. Une personne intolérante au lactose ne produit pas suffisamment d’enzyme lactase pour décomposer le lactose, celui-ci reste alors dans le système digestif où il est décomposé par des bactéries, ce qui crée des problèmes digestifs désagréables. Heureusement pour ces personnes, les enzymes lactase peuvent maintenant être achetées comme complément alimentaire, et ces enzymes peuvent être ajoutées au lait pour le rendre « sans lactose ».

Vous avez peut-être remarqué que lactase et carbohydrase se terminent toutes deux par les lettres « ase ». C’est un moyen facile de savoir si un terme biologique est une enzyme, puisqu’elles se terminent toutes généralement par -ase. En règle générale, le substrat est également inclut dans le nom de l’enzyme, avec quelques exemples donnés dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1: Un tableau montrant quelques exemples de groupes d’enzymes et le substrat auquel ils se lient.

Nom du substratNom du groupe d’enzymesFonction des enzymes
lipide (graisse)lipasedécomposer les graisses en acides gras et en glycérol
glucide (sucre)carbohydrasedécomposer les glucides les plus gros (p. ex. l’amidon) en glucides plus petits (p. ex. le glucose)
protéineProtéasedécomposer les protéines en acides aminés
ADNDNasesdécomposef les molécules d’ADN
LactoseLactasedécomposer les sucres du lactose en glucose et galactose

Les enzymes peuvent soit unir ou séparer les molécules de substrat, selon le type. L’image en haut de la figure 3 représente une enzyme qui décompose un substrat en deux produits, tandis que l’image du bas montre une autre enzyme qui réunit deux substrats pour former un seul produit. La figure 3 montre que lorsqu’une molécule de substrat se lie au site actif d’une enzyme spécifique, elle forme le complexe enzyme-substrat. Lorsque l’enzyme a terminé son travail, elle libère les molécules de son site actif, maintenant appelées produits. Le site actif est maintenant libre de recevoir plus de molécules de substrat qui s’y lient, c’est pourquoi nous disons que les enzymes ne sont pas consommées car elles peuvent continuer à catalyser des réactions même après plusieurs réactions.

Figure 3 : Diagramme illustrant les deux principaux modèles d’action des enzymes avec la structure d’une enzyme, y compris la complémentarité de son site actif avec la ou les molécules de substrat spécifique.

Exemple 2: Utiliser un graphique pour décrire comment les enzymes affectent les réactions biochimiques

Le graphique ci-dessous montre comment l’addition d’une enzyme influence une réaction biochimique. Quel aspect clé de cette réaction a changé avec l’addition d’une enzyme?

  1. Le temps nécessaire à la réalisation de la réaction a augmenté.
  2. L’énergie libre de la réaction a augmenté.
  3. L’énergie d’activation a été réduite.
  4. Le volume des produits formés a diminué.
  5. Il n’y a pas eu de changements notables.

Réponse

La question nous demande de déterminer comment les enzymes influencent les réactions biochimiques. Définissons ce qu’est une enzyme, afin de pouvoir déchiffrer les informations qui nous sont données dans le graphique sur l’effet de cette enzyme. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui augmentent la vitesse d’une réaction en diminuant l’énergie d’activation requise pour qu’une réaction se produise.

Le graphique nous montre que la quantité d’énergie libre stockée dans les molécules de la réaction change à mesure que la réaction se déroule. La ligne rouge représente l’énergie libre de la réaction sans enzyme, tandis que la ligne verte nous montre la même chose mais avec une enzyme.

Nous pouvons voir qu’initialement, l’énergie libre contenue dans les réactifs des deux réactions est la même et reste constante, comme le montre la ligne horizontale à l’extrême gauche. Un apport d’énergie aux réactifs augmente ce niveau d’énergie dans les deux réactions, ce qui se traduit par un pic d’énergie libre. L’énergie libre dans les deux réactions diminue ensuite à nouveau, et l’énergie libre stockée dans les produits est plus faible que dans les réactifs, comme le montrent les plateaux horizontaux des deux lignes à l’extrême droite du graphique.

Les flèches verticales rouges et vertes annotées par Eun nous montrent la différence entre l’énergie stockée dans les réactifs et celle au niveau des pics d’énergie dans les deux réactions. Cette valeur représente l’énergie d’activation nécessaire pour que chaque réaction se produise. Nous pouvons voir que l’énergie d’activation de la réaction qui se produit sans enzyme (rouge) est beaucoup plus élevée que celle de la réaction qui se produit avec une enzyme (vert).

Par conséquent, nous pouvons déduire que ce qui change avec l’addition d’une enzyme est l’énergie d’activation de la réaction qui a diminué.

Chaque type d’enzyme possède un site actif de forme spécifique. Seul le substrat impliqué dans la réaction que l’enzyme catalyse s’insère dans son site actif spécifique. Nous disons donc que le site actif d’une enzyme est de forme complémentaire au substrat qui s’y insère.

L’analogie scientifique appelée le modèle « serrure-clé » illustre bien cette spécificité des enzymes. Dans ce modèle, la clé est le substrat, tandis que la serrure est l’enzyme. L’espace à l’intérieur de la serrure, qui a la forme adaptée à une clé spécifique, est le site actif de l’enzyme. L’image en haut de la figure 4 compare le substrat à une « clé » qui a une forme complémentaire spécifique pour s’insérer dans le site actif ou la « serrure » de l’enzyme. Par conséquent, un complexe enzyme-substrat est formé et la réaction enzymatique se produit. L’image en bas de la figure 4 montre que lorsqu’un substrat, c’est à dire la « clé », inadéquat est utilisé, il ne rentre pas dans le site actif ou la « serrure » de l’enzyme. Cela signifie qu’aucun complexe enzyme-substrat ne se formera et aucune réaction enzymatique ne se produira.

Figure 4 : Diagramme illustrant l’analogie « serrure-clé » de l’action enzymatique.

Terme clé : Forme complémentaire /adaptée

La forme complémentaire du site actif d’une enzyme à une molécule de substrat spécifique signifie que seul ce substrat sera capable de s’adapter à cette enzyme de sorte qu’elle ne catalyse qu’une réaction spécifique.

Exemple 3: Identifier les enzymes, les substrats et les produits impliqués dans l’analogie serrure-clé

Le schéma ci-dessous illustre l’analogie serrure-clé.

  1. Quelle lettre représente l’enzyme?
  2. Quelle lettre représente le substrat?
  3. Quelle lettre représente les produits de cette réaction?

Réponse

Partie 1

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui augmentent la vitesse d’une réaction en diminuant l’énergie d’activation requise pour qu’une réaction se produise. Elles agissent en ayant un site actif complémentaire à la forme d’une molécule de substrat, de sorte qu’un seul type de molécule spécifique peut s’y insérer. Une fois le substrat décomposé ou assemblé avec un autre substrat par l’enzyme, il est libéré du site actif de l’enzyme. Cela libère le site actif resté intact, pour qu’une autre molécule de substrat s’y lie.

Comme la molécule marquée « X » contient une encoche (le site actif), il doit s’agir de l’enzyme. De plus, la forme d’une enzyme reste intacte après qu’elle a été utilisée pour catalyser une réaction. Comme la molécule « X » garde la même forme tout au long de la réaction, la lettre qui représente l’enzyme doit être X.

Partie 2

Les substrats se lient au site actif de l’enzyme, ce qui suggère que le substrat est la molécule indiquée par « Y ». La molécule « Y » se divise en deux sous-unités distinctes, ce qui montre que l’enzyme « X » a catalysé une réaction qui décompose le substrat « Y » en ses éléments constitutifs. Par conséquent, la lettre qui représente le substrat doit être Y.

Partie 3

Comme les molécules « Z » sont les sous-unités constitutives qui sont libérées par l’enzyme après la décomposition du substrat « Y », il doit s’agir des produits de la réaction. Ainsi, la lettre qui représente les produits de cette réaction est Z.

Bien que les enzymes soient réutilisables, elles ne sont pas indestructibles. Comme vous pouvez le voir sur la figure 5, lorsqu’elle est exposée à des conditions telles qu’une température élevée ou un pH extrêmement élevé ou faible, le site actif de l’enzyme change de forme. Cela signifie que sa forme n’est plus complémentaire à sa molécule de substrat spécifique, et qu’elle ne pourra plus fonctionner comme catalyseur d’une réaction biologique. Les enzymes catalysent plus rapidement une réaction à une température et un pH optimaux. Une fois ces conditions optimales dépassées, les enzymes impliquées commenceront à se dénaturer et la vitesse de réaction diminuera.

Dans l’enzyme normale à gauche de la figure 5, le site actif a une forme complémentaire à la molécule de substrat et forme ainsi un complexe enzyme-substrat, et une réaction enzymatique se produira. À des températures élevées ou à un pH extrême, l’enzyme se dénature et change de forme. La forme modifiée du site actif, que l’on voit sur l’image en bas à droite de la figure 5, signifie qu’il n’a plus une forme complémentaire à celle de la molécule de substrat, donc aucun complexe enzyme-substrat ne se forme et la réaction enzymatique ne peut pas avoir lieu.

Figure 5 : Diagramme montrant la différence entre une enzyme normale et une enzyme dénaturée.

Définition: Dénaturation

On dit qu’une enzyme se dénature lorsque son site actif change de forme de manière irréversible, de sorte qu’il n’est plus adapté à la molécule de substrat spécifique.

Exemple 4: Décrire les modifications du site actif

Le site actif de l’enzyme sur la figure a changé de manière irréversible. Quel terme scientifique décrit ce changement?

  1. la mort
  2. la décomposition
  3. la dénaturation
  4. le dépôt
  5. la déformation

Réponse

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui augmentent la vitesse d’une réaction en diminuant l’énergie d’activation requise pour qu’une réaction se produise. Elles agissent en ayant un site actif complémentaire à la forme d’une molécule de substrat, de sorte qu’une seule molécule spécifique peut s’y intégrer. Ce site actif change de forme en cas de pH extrême ou de températures élevées, le substrat ne peut donc plus s’emboiter de manière complémentaire et spécifique à cette enzyme particulière.

Les enzymes ne sont pas des molécules vivantes et ne peuvent donc pas être tuées;il serait donc inexact de décrire la forme changée du site actif comme morte. Bien que les enzymes puissent se décomposer en leurs éléments constitutifs par décomposition comme la plupart des autres macromolécules, ce n’est pas le terme qui désigne un changement de forme du site actif. Il n’est pas inexact de décrire le site actif comme déformé, mais il existe un terme plus précis pour qualifier ce changement de forme du site actif, soit la dénaturation.

Notre description correcte de ce changement est donc la dénaturation.

Récapitulons certains des points clés que nous avons couverts dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui accélèrent une réaction sans être consommés.
  • Ce sont des protéines avec un site actif de forme spécifique.
  • Le modèle de la serrure et de la clé suggère que chaque enzyme possède un site actif complémentaire à la forme d’une molécule de substrat, s’emboîtant comme une clé dans une serrure pour catalyser des réactions.
  • À des pH et températures extrêmes, les enzymes se dénaturent puisque leur site actif change de forme.

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