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Le rôle des enzymes

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Objectif
Le fonctionnement des cellules requiert des réactions chimiques multiples et coordonnées. De nombreuses maladies génétiques sont dues à des anomalies enzymatiques. Comment les enzymes sont-elles impliquées dans la réalisation du phénotype ?

1. Les enzymes sont indispensables à la vie cellulaire

On appelle catalyseur, une substance qui accélère une réaction chimique sans en modifier le bilan. Les enzymes sont des biocatalyseurs, car elles agissent dans les cellules vivantes pour accélérer de multiples réactions chimiques qui ne se dérouleraient que très lentement sans leur action. Les troubles de l'activité cellulaire peuvent provoquer des maladies ou des anomalies. Par exemple, la phénylcétonurie est due à la déficience d'une enzyme, la PAH.

2. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques

Quand on chauffe les enzymes, elles cessent de fonctionner. Certains poisons empêchant la liaison de l'enzyme avec le substrat ont pour effet de bloquer les réactions chimiques. Les enzymes sont des protéines, molécules spécifiques dont la structure dépend de plusieurs conditions.

a. Des caractéristiques communes aux autres protéines

Toute protéine est caractérisée par l'enchaînement d'un nombre déterminé et d'une séquence précise d'acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents principaux dans le monde vivant. Pour une protéine comportant 150 acides aminés, il y a théoriquement 20¹⁵⁰ combinaisons possibles différentes !

b. Des caractéristiques particulières aux enzymes

Les enzymes jouent un rôle particulier, elles ont une activité spécifique qui s'accompagne de plusieurs caractéristiques.

Une fonction catalytique : Comme tout catalyseur, une enzyme accélère une réaction chimique et se retrouve intacte à la fin de celle-ci. On parle de biocatalyseur pour rappeler le fait qu'une enzyme est une molécule fabriquée par des êtres vivants (bactéries, champignons, végétaux chlorophylliens, animaux...).
Une action à faible concentration : Une toute petite quantité d'enzyme dans le milieu suffit à catalyser la réaction. En effet, l'enzyme étant constamment renouvelée, elle est ainsi constamment prête à fonctionner pour se lier à d'autres molécules de substrat.
Une action rapide : Une réaction enzymatique dure en moyenne un millième de seconde. L'enzyme catalyse la transformation de mille molécules de substrat par seconde. Il faudrait plusieurs minutes ou plusieurs heures, voire plusieurs siècles pour que certaines réactions chimiques se déroulent sans enzyme dans la cellule.
Une action dans des conditions biologiques : Des températures particulières rarement élevées (voisines de 37^°C chez l'homme) et des conditions de pH diverses existent dans les cellules. Avec des catalyseurs non biologiques, des températures très élevées sont nécessaires pour que les réactions chimiques se produisent. Par exemple l'hydrolyse du saccharose en glucose par la saccharase s'effectue immédiatement, tandis qu'il faut chauffer à 100^°C pendant plusieurs minutes pour obtenir le même résultat avec un catalyseur tel que HCl (acide chlorhydrique).
Une double spécificité : spécificité de substrat (1) et spécificité d'action (2)

(1) Le substrat est la molécule dont l'enzyme catalyse la modification. Une enzyme donnée ne peut agir que sur un seul substrat ou catégorie de substrat. Si plusieurs enzymes agissent sur un même substrat, elles le font sur des parties différentes de la molécule. La formation du complexe enzyme-substrat s'effectue en un endroit précis de l'enzyme, le site actif. La complémentarité géométrique entre l'enzyme et le substrat a été comparée à celle entre une clé et une serrure ; en réalité les ajustements mutuels des formes respectives ne se font qu'après la fixation du substrat. La mise en place du substrat sur le site actif favorise le déroulement de la réaction chimique.

(2) Pour un substrat donné, une enzyme ne catalyse qu'un seul type de réaction chimique. Le type de réaction chimique catalysé sert à nommer l'enzyme. On distingue des carboxylases (ajout de dioxyde de carbone sur le substrat), des décarboxylases (retrait de dioxyde de carbone au substrat), des déshydrogénases (retrait d'hydrogène)...

L'essentiel

Les protéines enzymatiques jouent un rôle majeur dans l'expression du phénotype. Ce sont des catalyseurs biologiques : elles rendent possibles les réactions chimiques indispensables au maintien en vie des cellules dans des conditions de température relativement basses. Elles se retrouvent intactes à la fin des réactions. Leur rôle est donc d'accélérer le déroulement des réactions chimiques dans les cellules sans que le bilan en soit modifié. Elles ont une double spécificité : substrat et action.

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