Cinétique enzymatique - Définition

Introduction

Neuraminidase du virus de la grippe aviaire représentée avec un diagramme ruban tridimensionnel (en jaune), montre l'intégration d'un inhibiteur (modèle éclaté) dans un emplacement en forme de "cavité" à la surface de l'enzyme. Cette "cavité" représente le site actif de la neuraminidase, jouant un rôle crucial dans le passage des virus à travers la membrane des les cellules hôtes.

La cinétique enzymatique a pour objet d'identifier et de décrire les mécanismes des réactions biochimiques, catalysées par les enzymes (réaction enzymatique), en étudiant leur vitesse c'est-à-dire leur évolution en fonction du temps. En partant des enzymes isolées et en allant vers les systèmes métaboliques organisés et intégrés, la cinétique enzymatique permet de décrire quantitativement les propriétés catalytiques des enzymes et les mécanismes mis en place pour leur régulation.

Les enzymes jouent un rôle central dans la régulation des processus biologiques. Elles sont généralement constituées de molécules protéiques issues de la traduction du génome, à l'exception des ribozymes constitués d'ARN. Les enzymes interviennent en diminuant la barrière énergétique entre les réactants permettant d'accélérer les réactions des milliers de fois plus qu'en absence de catalyse.

L'activité catalytique des enzymes est hautement spécifique, c'est-à-dire qu'une enzyme donnée, parmi les milliers qui existent, ne peut catalyser qu'une réaction chimique bien précise (p. ex. l'hexokinase permet à l'aide d'une molécule d'ATP de phosphoryler le glucose pour obtenir le glucose-6-phosphate substrat clé dans la glycolyse et la synthèse du glycogène). En effet, la réaction chimique catalysée par une enzyme s'effectue au niveau d'une région bien déterminée de celle-ci, appelée site actif. Dans ce domaine, les acides aminés adoptent une configuration spatiale précise qui confère à cette région des caractéristiques chimiques spéciales rendant compte le cette spécificité vis-à-vis du substrat (voir figure ci-contre).

Il existe une relation entre la vitesse d'une réaction catalysée par une enzyme et la concentration ou la disponibilité du substrat. L'activité enzymatique dépend aussi du pH, de la température et souvent de la concentration des ions et des cofacteurs. La régulation de cette activité peut être assurée par des composés appelés effecteurs (généralement de faible poids moléculaire). Les effecteurs positifs (ou activateurs) stabilisent la configuration catalytique active de l'enzyme. Les effecteurs négatifs (ou inhibiteurs), agissent au contraire, en favorisant l'état moins actif (inhibiteurs non compétitifs) ou entrent en compétition avec les molécules de substrat en bloquant le site actif (inhibiteurs compétitifs).

La cinétique enzymatique constitue un élément fondamental dans la compréhension de la manière dont les enzymes fonctionnent et conduit à de nombreuses applications dans les industries chimique et agroalimentaire ainsi que dans les biotechnologies et la médecine (pharmacologie, toxicologie).

Mécanisme de la catalyse enzymatique

Une réaction chimique est un état d'équilibre entre les réactifs et les produits. Dans une réaction classique les réactifs se transforment en produits jusqu'à disparition totale ou non d'un réactif, c'est l'état d'équilibre. En enzymologie, les réactifs sont les substrats de l'enzyme et comme beaucoup enzymes ont une activité réversible, les produits peuvent devenir substrats. Pour qu'une réaction chimique se fasse, il faut délivrer une certaine énergie, l'énergie d'activation (comme si les réactifs devaient franchir un col pour se transformer). Une enzyme diminue l'énergie d'activation à fournir (en quelque sorte elle modifie le chemin pris par les réactifs) la réaction se retrouve donc accélérée mais l'état d'équilibre atteint n'est pas modifié, il ne dépend pas de l'enzyme. En théorie, comme tous les catalyseurs, une enzyme est retrouvée intacte en fin de réaction.