Introduction sur les enzymes
Définition :
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques indispensables à la vie cellulaire ; aucune des réactions métaboliques ne serait possible sans elles. Les enzymes présentent également une grande importance économique, notamment dans le domaine agro-alimentaire, ainsi qu'une importance médicale considérable étant donné que certaines d'entre elles sont utilisées comme bio-marqueurs de pathologies, d'autres sont des médicaments ou des cibles de diverses thérapeutiques. Les enzymes sont aussi des outils essentiels dans les laboratoires de recherche, par exemple pour découper des protéines ou des acides nucléiques.
Par nature, les enzymes sont des protéines possédant dans leur structure une zone particulière permettant la liaison spécifique du substrat et sa transformation chimique en produit, finalement libéré ; on appelle cette zone le site ou centre actif. Nous savons maintenant que certains anticorps peuvent mimer l'action d'enzymes, essentiellement des anticorps monoclonaux dirigés contre le substrat ou un analogue ; on les appelle des abzymes. Plus curieux encore, certains ARN peuvent s'avérer catalytiques (les ribozymes) en formant un site catalytique suite au repliement tridimensionnel de la chaîne polynucléotidique. On sait aussi maintenant synthétiser des enzymes, donc artificielles, et encore appelées « enzyme mimics » ; les biotechnologies en développement ne sont pas en reste avec par exemple l'emploi d'enzymes immobilisées, les bio-piles enzymatiques et encore dans les nanotechnologies, la nanolithographie enzymatique et les nanomoteurs enzymatiques à réaction. Les protéines enzymatiques contiennent donc un site actif qui provient du repliement conformationnel de la chaîne polypeptidique, mais c'est parfois l'association de sous-unités polypeptidiques en une structure quaternaire qui fait naître le site actif. Ce dernier résulte du rapprochement dans l'espace de résidus d'acides aminés constitutifs ; les contacts entre ces résidus et le substrat sont de l'ordre des distances interatomiques dans les liaisons chimiques intéressant les atomes du vivant (C, N, O, H...).
Les enzymes sont des biocatalyseurs qui différent des catalyseurs chimiques sur plusieurs points. Les vitesses des réactions catalysées par les enzymes sont multipliées par un facteur compris entre 105 et 1017 par rapport aux réactions non catalysées, atteignant la limite de la transformation spontanée, et sont de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à celles des réactions catalysées chimiquement. Les enzymes travaillent habituellement dans des conditions douces (pression atmosphérique, 20-40°C, pH neutre...), mais on connaît des enzymes capables de jouer leur rôle dans des conditions extrêmes, par exemple enzymes thermophiles des animaux marins vivant à proximité de sources chaudes, enzymes acidophiles ou basophiles, enzymes des organismes résistant aux fortes pressions, aux radiations ionisantes, aux fortes concentrations salines... La spécificité de la réaction enzymatique vis-à-vis des substrats est généralement très élevée ; l'enzyme ne va catalyser qu'une réaction enzymatique sans générer de produits secondaires ; un seul substrat sera accepté ou parfois un ensemble de substrats de structures proches. Enfin, les activités catalytiques des enzymes sont finement régulées et pas seulement par la concentration de substrat ; les enzymes sont de remarquables auxiliaires biologiques placés à tous les carrefours de régulation.
Dans la cellule, les enzymes peuvent se trouver sous forme soluble, par exemple dans le cytosol ou les fractions solubles des organites. D'autres sont insolubilisées par ancrage à une membrane cellulaire soit directement par un fragment de la chaîne polypeptidique, soit par l'intermédiaire d'un lipide par exemple. De nombreuses enzymes s'associent entre elles pour former des complexes multienzymatiques, statiques ou dynamiques en réponse à l'activation de voies de signalisation intracellulaire. Leur concentration cellulaire est toujours extrêmement faible, de l'ordre de 10-7 à 10-9 mole/l ; en effet, comme pour tout catalyseur, l'enzyme n'est pas consommée pendant la réaction qu'elle catalyse. Les enzymes peuvent être directement actives, ou activées selon divers processus ; parfois le site actif est caché (enzyme sous forme de zymogène), et seule une protéolyse ménagée spécifique pourra le libérer, l'enzyme devenant active. Dans d'autres cas, pour être active l'enzyme devra fixer une autre molécule, minérale ou organique, qu'on appelle un cofacteur enzymatique ; s'il est organique on parle de coenzyme, qui sera souvent considérée comme un deuxième substrat. De nombreux tissus n'expriment pas les mêmes enzymes (dites tissu-spécifiques), appelées iso-enzymes si les sous-unités polypeptidiques sont codées par des gènes différemment régulés selon les tissus, ou des formes différentes de la même enzyme appelées iso-formes issues par exemple d'un choix de promoteur différent dans le gène, ou d'un épissage alternatif de l'ARN messager, ou de glycosylations différentes, ou encore d'une hydrolyse partielle. Ces iso-enzymes et iso-formes sont généralement séparables par des méthodes chromatographiques ou électrophorétiques, et présentent des caractéristiques enzymatiques peu différentes.
