Les enzymes : catalyse, cinétique et régulation

Sans enzyme, la digestion d’un repas prendrait des années. Une enzyme accélère une réaction des millions de fois, à 37 °C et à pH neutre.

Un catalyseur biologique

Une enzyme est une protéine (le plus souvent) qui accélère une réaction sans être consommée.

Deux spécificités : de substrat (l’enzyme reconnaît une molécule, ou une famille) et de réaction (elle catalyse un seul type de transformation).

Chaque enzyme porte un identifiant international EC (quatre nombres) qui renvoie au type de réaction.

Le complexe enzyme-substrat

E + S→complexe ES→E + P

Le substrat se fixe dans le site actif, poche formée par la structure tridimensionnelle de la protéine. Beaucoup d’enzymes ont besoin d’un cofacteur : un ion métallique (Mg²⁺, Zn²⁺) ou un coenzyme (NAD⁺, souvent dérivé d’une vitamine) ; s’il reste lié à l’enzyme, on parle de groupement prosthétique.

Certaines enzymes sont synthétisées inactives sous forme de proenzyme : le pepsinogène devient pepsine dans l’estomac acide, le trypsinogène devient trypsine dans l’intestin.

La vitesse initiale

On suit l’apparition du produit en fonction du temps. Au début, la courbe est une droite : sa pente est la vitesse initiale v₀. Plus tard, la vitesse diminue (substrat consommé, produit accumulé).

→On mesure toujours v₀ : c’est la seule vitesse qui dépend clairement des conditions de départ.

L’effet de la concentration en substrat

Si on augmente la concentration en substrat [S] (enzyme en quantité fixe) :

• ✱à faible [S], v₀ augmente presque proportionnellement ;
• ✱à forte [S], v₀ plafonne : tous les sites actifs sont occupés, l’enzyme est saturée ; v₀ atteint la vitesse maximale Vmax.

La constante Km est la concentration en substrat qui donne v₀ = Vmax / 2 : plus Km est petit, plus l’enzyme a d’affinité pour son substrat.

Température, pH et effecteurs

• ✱Température : v₀ augmente jusqu’à une température optimale, puis la protéine se dénature et l’activité s’effondre.
• ✱pH : chaque enzyme a un pH optimal (pepsine vers 2, trypsine vers 8) ; loin de lui, les charges du site actif changent.
• ✱Activateurs et inhibiteurs modifient l’activité. Un inhibiteur analogue structural du substrat entre en compétition pour le site actif.
• ✱Dans une voie métabolique, le produit final inhibe souvent une enzyme clé du début : c’est une boucle de régulation (rétro-inhibition).

!Le froid ralentit une enzyme sans la détruire ; la chaleur excessive la dénature de façon souvent irréversible.

Exemple travaillé

Pour [S] = 1 ; 2 ; 4 ; 10 ; 40 mmol·L⁻¹, on mesure v₀ = 20 ; 30 ; 40 ; 50 ; 58 µmol·min⁻¹. La courbe tend vers un plateau : Vmax ≈ 60 µmol·min⁻¹. La moitié, 30 µmol·min⁻¹, est atteinte pour [S] = 2 mmol·L⁻¹ : Km ≈ 2 mmol·L⁻¹. Pour mesurer Vmax en pratique, on se place en substrat saturant (au moins dix fois Km).