M4S5 §1 à 3 - Comportement cinétique des enzymes - Sabrine

Question 1

A quoi correspond la catalyse ?

Answer 1

La catalyse correspond à l’activité visant à augmenter la vitesse d’une réaction chimique.

Question 2

Qu’est-ce que la cinétique enzymatique ?

Answer 2

La cinétique enzymatique est l’étude de la vitesse des réactions catalysées par des enzymes.

Question 3

Quelles sont les 3 étapes majeures d’une réaction enzymatique ?

Answer 3

• La fixation
• La catalyse
• La libération des produits

Question 4

Que se passe-t-il lors de l’étape de la fixation ?

Answer 4

L’enzyme (notée E) et ses substrats (notés S) s’associent au niveau du site actif.
Le complexe enzyme-substrat (noté ES) ainsi formé est stabilisé par des liaisons de faible énergie.
Cette étape de la réaction est réversible.

E + S ⇄ ES

Question 5

Que se passe-t-il lors de l’étape de la catalyse ?

Answer 5

Le substrat est transformé en produit sous l’action de l’enzyme.

Cette étape peut être réversible, selon le type de réaction.

ES ⇄ EP

Question 6

Que se passe-t-il lors de l’étape de la libération des produits ?

Answer 6

Les produits formés lors de la catalyse se dissocient de l’enzyme, celle-ci retrouve son état initial et peut effectuer
une nouvelle catalyse.

Cette étape est irréversible.
EP → E + P

Question 7

Comment peut se décomposer une réaction enzymatique ? (équation)

Answer 7

E + S ⇄ ES ⇄ EP → E + P

Question 9

A quoi correspond la vitesse d’une réaction chimique ?

Answer 9

A la quantité de substrat transformé (ou de produit formé) par unité de temps au cours de la réaction.

• Elle est proportionnelle à la quantité de substrat présent et elle est caractérisée par une constante de vitesse notée k.
• Une constante de vitesse est exprimée en nombre de réactions par unité de temps (unité : s-1 ou min-1).

Question 10

La vitesse d’une réaction enzymatique est caractérisée par trois constantes de vitesse, lesquelles ?

Answer 10

• k1 : constante de vitesse d’association (vitesse de formation du complexe ES)
• k-1 : constante de vitesse de dissociation du complexe ES
• k2 = kcat : constante catalytique (vitesse de formation du produit)

Les travaux de Michaelis et Menten ont montré que le rapport des constantes (k-1 + k2)/k1 est également une constante, appelée constante de Michaelis et notée Km.

Km = (k−1 + k2) / k1

Question 11

Est-il possible d’étudier séparément la formation du complexe ES et la catalyse enzymatique ?

Answer 11

Non !
On s’intéresse donc à la vitesse globale de la réaction, qui correspond à la quantité de produit formé par unité de temps, ou à la quantité de substrat transformé par unité de temps.

V= (S)/t = (P)/t

V : vitesse de réaction en mol.L-1.s-1
[S] : concentration de substrat transformé en mol.L-1
[P] : concentration de produit formé en mol.L-1
t : temps en s

Question 12

Expérimentalement, on mesure la disparition du substrat, ou l’apparition du produit, au cours du temps et on reporte ces valeurs sur une courbe.

Avec une enzyme michaelienne, quel type de courbe obtient-on ?

Answer 12

une courbe de type hyperbolique.

À un instant donné, il est possible de déterminer graphiquement la vitesse de réaction : elle correspond au coefficient directeur de la tangente à ce point.

Question 13

Comment déterminer le coefficient directeur d’une droite ?

Answer 13

il suffit de lire les coordonnées de deux points A et B de la droite. La valeur du coefficient directeur sobtient par l’expression :
a= (yB –yA) / (xB – xA)

Question 14

Ca vitesse de réaction varie au cours du temps; quelles sont ces étapes (aussi visibles sur une courbe)

Answer 14

• la vitesse est maximale au début de la réaction ;
• elle diminue progressivement ;
• elle est nulle en fin de réaction (tangente horizontale).

–> En début de réaction, la vitesse est maximale car il y a une quantité importante de substrat.
–> Ensuite, au fur et à mesure de la disparition du substrat, la vitesse diminue et s’annule lorsque tout le substrat a été transformé en produit.

La vitesse maximale en début de réaction est appelée vitesse initiale (notée V0 ou Vi). Elle est caractéristique d’une réaction donnée.

Question 15

Quels paramètres influencent la vitesse initiale ?

Answer 15

• La vitesse initiale d’une réaction enzymatique est proportionnelle à la concentration en enzyme lorsque le substrat est en excès (droite passant par l’origine).
• La vitesse initiale est fonction de la concentration initiale en substrat.

On détermine la vitesse initiale d’une réaction enzymatique avec des concentrations initiales de substrat variables.

On obtient une nouvelle courbe, également d’allure hyperbolique.

Remarque : attention, cette courbe ressemble fortement à la courbe permettant de déterminer la vitesse initiale, il faut donc bien faire attention au type de courbe [P] = f(t) ou Vi = f[S]).

Question 16

L’augmentation de la concentration en substrat entraîne une augmentation de la vitesse initiale en trois phases, lesquelles ?

Answer 16

• phase linéaire : la vitesse initiale est proportionnelle à la concentration initiale en substrat ;
• phase décroissante : l’augmentation de la Vi n’est plus linéaire et devient moins rapide ;
• phase de saturation : la vitesse initiale atteint une valeur maximale.

À partir d’une certaine concentration initiale de substrat, la vitesse initiale n’augmente plus car tous les sites catalytiques des enzymes sont occupés.

–> La vitesse initiale maximale Vmax est une constante pour une enzyme donnée.

Question 17

A quoi sert l’équation de Michaelis et Menten ?

Answer 17

Elle permet de relier la vitesse initiale à la concentration de substrat initiale :

Vi =(Vmax ×[S]i) / (Km +[S]i)

Question 18

Qu’est-ce que la constante de Michaelis, Km ?

Answer 18

La constante de Michaelis, Km, est une constante propre à l’enzyme. C’est une constante d’affinité qui donne une valeur de l’affinité de l’enzyme pour son substrat. Le Km est inversement proportionnel à l’affinité:

• Plus le Km est élevé, plus l’enzyme a une faible affinité pour le substrat (la dissociation du complexe ES est plus rapide que l’association).
• À l’inverse, plus le Km est petit, plus l’affinité de l’enzyme pour le substrat est grande (l’association du complexe ES est plus rapide que la dissociation).

L’équation de Michaelis et Menten montre que Km correspond à la concentration initiale de substrat pour laquelle la vitesse initiale est égale à Vmax/2.
La valeur de Km peut donc être déterminée graphiquement.
Vmax et Km sont les deux paramètres cinétiques permettant d’apprécier l’activité d’une enzyme. Celle-ci sera d’autant plus active que Km est faible et que Vmax est élevée.

Question 19

Qu’est-ce que l’équation de Lineweaver Burk (ou équation en double inverse) ?

Answer 19

L’inverse de l’équation de Michaelis et Menten

Cette équation correspond à une fonction affine, représentée graphiquement par une droite (coefficient directeur = Km/Vmax, ordonnée à l’origine = 1/Vmax).

On peut ainsi déterminer graphiquement les valeurs de Vmax et de Km.

On calcule les inverses des valeurs des vitesses initiales et des concentrations initiales de substrat, et on trace la courbe 1/Vi = f(1/[S]). On obtient une droite qui coupe les deux axes du repère.

L’ordonnée à l’origine est égale à 1/Vmax.

L’abscisse du point d’intersection avec l’axe des abscisses est égale à -1/Km.

Question 20

La vitesse initiale d’une réaction enzymatique dépend de la température, vrai ou faux ?

Answer 20

Vrai !

Question 21

La courbe représentant la vitesse initiale en fonction de la température comprend deux parties, lesquelles ? Expliquez ces parties

Answer 21

1) Dans un premier temps, la vitesse augmente linéairement avec la température, jusqu’à une valeur maximale.
2) Ensuite, la vitesse diminue assez rapidement et s’annule.

La partie croissante (entre 0 et 40 °C le plus souvent) s’explique par l’énergie thermique croissante fournie au système. Cette énergie entraîne l’agitation des molécules et facilite leur rencontre. L’énergie d’activation de la réaction est ainsi diminuée, ce qui augmente la vitesse.

Lorsque la vitesse initiale maximale est atteinte, on parle de température optimale.

Au-delà de cette température, la protéine est rapidement dénaturée : elle subit des modifications structurales, ce qui l’empêche de se lier au substrat, et elle perd son activité catalytique.

Les enzymes corporelles ont une température optimale comprise entre 35 et 40 °C. L’activité du métabolisme cellulaire est donc dépendante de la température.

L’homme maintient sa température corporelle à 37 °C, car cette température est optimale pour l’activité enzymatique et donc pour le métabolisme.

Toute variation de la température corporelle entraîne des perturbations du métabolisme qui peuvent être graves (hypothermie < 35 °C, fièvre > 40 °C).

Remarque : certaines enzymes sont adaptées à des conditions de température élevée (bactéries thermophiles).

Question 22

La variation du pH perturbe rapidement l’activité enzymatique, avant même que la structure protéique ne soit dénaturée, vrai ou faux ?

Answer 22

Vrai !

• La modification du pH entraîne des modifications du degré d’ionisation de certains groupements fonctionnels au niveau de l’enzyme (acides aminés acides ou basiques) et de son substrat.
  La modification des charges empêche la formation du complexe enzyme-substrat.
• De même que pour la température, on définit un pH optimal. Dès que l’on s’écarte de cette valeur, la vitesse diminue rapidement.
• La plupart des enzymes corporelles ont un pH optimal voisin de 7 (pH des liquides physiologiques), mais certaines enzymes présentent un pH optimal différent.

Question 23

Que sont les effecteurs ?

Answer 23

C’est un grand nombre de petites molécules capables d’interagir avec les enzymes au niveau des sites de régulation, ou directement au niveau des sites actifs.

La fixation de ces molécules modifie la vitesse initiale, c’est-à-dire l’activité de l’enzyme.

Question 24

Comment nomme-t-on l’effecteur lorsque la vitesse initiale est augmentée ? et diminuée ?

Answer 24

• vitesse initiale est augmentée: l’effecteur est un activateur, ou effecteur positif.
• vitesse initiale est diminuée, l’effecteur est un inhibiteur ou effecteur négatif.

Le plus souvent, la fixation de l’effecteur sur l’enzyme est réversible.

Cependant, certains effecteurs ont un effet irréversible : leur fixation entraîne l’inactivation totale de l’enzyme.

Question 25

Donnez des exemples de fixation irréversible de l’effecteur sur l’enzyme

Answer 25

• Certains poisons, comme le di-isopropyl fluorophosphate, gaz neurotoxique utilisé pendant la Première Guerre mondiale.
• Certains médicaments : aspirine, pénicilline.

Question 26

Les effecteurs peuvent être endogènes, vrai ou faux ?

Answer 26

Vrai !

Les effecteurs peuvent être endogènes et faire partie de la régulation du métabolisme : rétroinhibiteurs, effecteurs allostériques, hormones, messagers secondaires (AMPc).

Question 27

Les effecteurs peuvent être exogènes, vrai ou faux ?

Answer 27

Vrai !

Ils peuvent également être exogènes et être à l’origine d’une régulation anormale : drogues, poisons, toxines bactériennes, médicaments, polluants.

Question 28

L’inhibition ou l’activation d’une enzyme joue un rôle primordial dans le métabolisme cellulaire, pourquoi ?

Answer 28

Les effecteurs permettent de bloquer ou d’activer certaines enzymes et donc certaines voies métaboliques.

Question 29

On distingue deux catégories d’inhibiteurs en fonction de leur mode d’action, lesquelles ?

Answer 29

les inhibiteurs compétitifs et les inhibiteurs non compétitifs.

Question 30

Quelle est la particularité des inhibiteurs compétitifs ?

Answer 30

Ces effecteurs présentent une analogie de structure avec le substrat normal de l’enzyme et sont reconnus par le site actif de l’enzyme.** Leur fixation sur le site actif empêche la formation du complexe E-S.**

La présence simultanée de l’inhibiteur et du substrat entraîne une compétition pour occuper le site actif de l’enzyme.

–> Deux possibilités s’offrent à l’enzyme : fixer le S ou l’I.

L’orientation vers telle ou telle possibilité dépend :
* des concentrations en substrat et en inhibiteur,
* de l’affinité de l’enzyme pour le substrat et pour l’inhibiteur.

Question 31

L’addition d’un inhibiteur compétitif favorise la dissociation du complexe ES, pourquoi ?

Answer 31

Parce que Km augmente, donc l’affinité pour le substrat est diminuée. Pour contrecarrer l’effet de l’inhibiteur, il faut augmenter la concentration de substrat.
La Vmax n’est pas affectée : elle sera seulement plus longue à atteindre.

Question 32

De nombreuses enzymes ont des inhibiteurs compétitifs. Il arrive que le produit de la réaction enzymatique serve d’inhibiteur compétitif.; comment appelle-t-on ce résultat ?

Answer 32

rétroinhibition ou rétrocontrôle négatif.

Question 33

Quelle est la particularité des inhibiteurs non compétitifs ?

Answer 33

L’inhibiteur se fixe sur un site effecteur distinct du site actif. Il n’y a pas compétition entre le substrat et l’inhibiteur.

L’affinité de l’enzyme pour le substrat n’est pas modifiée : Km ne varie pas.

Seul le couple E-S peut aboutir à une activité catalytique, la Vmax est donc diminuée. Une augmentation de la concentration de substrat ne peut pas s’opposer à l’effet de l’inhibiteur.

Question 34

Certaines enzymes ont une cinétique enzymatique qui ne correspond pas au modèle michaelien : quelle est l’allure de la courbe de la vitesse de réaction en fonction de la concentration en substrat

Answer 34

Sigmoïde

Cette allure sigmoïde est caractéristique d’une enzyme possédant une structure quaternaire : c’est-à-dire une enzyme oligomérique constituée de plusieurs sous-unités. Elle possède autant de sites actifs que de sous-unités. L’occupation d’un des sites actifs par le substrat modifie l’affinité des autres sites pour le substrat (comme l’hémoglobine avec l’O2).

Question 35

Qu’entraîne la fixation d’une première molécule de substrat ?

Answer 35

Une légère modification conformationnelle de la protéine, qui facilite la fixation d’une deuxième molécule de substrat sur un deuxième site. On parle d’effet coopératif.

L’enzyme présente deux types de conformations :
- une forme tendue T présentant peu d’affinité pour le substrat
- une forme relâchée R présentant une forte affinité pour le substrat.

–> Le passage d’une forme à l’autre porte le nom de transition allostérique.

La fixation du substrat sur l’une des sous-unités favorise le passage de la forme T vers la forme R. Plus l’enzyme a fixé de substrat, plus son affinité pour celui-ci augmente, ce qui explique l’allure de la courbe.

Question 36

Expliquez les 4 parties de la courbe p15 (enzyme allostérique)

Answer 36

• Partie 1 : avec peu de substrat, l’affinité de l’enzyme pour le substrat est faible. La vitesse initiale augmente lentement.
• Partie 2 : dès que l’enzyme commence à fixer le substrat, son affinité augmente. La vitesse initiale augmente rapidement.
• Partie 3 : la vitesse initiale augmente moins rapidement. L’enzyme est presque saturée.
• Partie 4 : l’enzyme est saturée. La vitesse initiale est maximale.

Question 37

Les enzymes allostériques possèdent très souvent des sites de régulation; La fixation d’un activateur facilite-t-elle la transition T vers R ?

Answer 37

Oui !

A l’inverse, la fixation d’un inhibiteur facilite la transition R vers T.

Ainsi, les effecteurs allostériques influencent essentiellement l’affinité de l’enzyme pour le substrat.

Question 38

Très souvent, le produit de la réaction enzymatique devient inhibiteur allostérique; qu’est-ce que cela permet ?

Answer 38

un rétrocontrôle et un ajustement de l’activité enzymatique.