Enzymes

Les enzymes 酶 sont des protéines globulaires 球状蛋白质 — un type de protéine 蛋白质 ayant une forme arrondie et soluble. Elles agissent comme des catalyseurs biologiques : elles catalysent 催化 (accélèrent) les réactions chimiques chez les êtres vivants, et ne sont pas consommées, de sorte que chaque enzyme peut agir encore et encore.

Les enzymes agissent dans deux endroits :

• Les enzymes intracellulaires 细胞内 travaillent à l'intérieur de la cellule 细胞 qui les a produites. Un exemple est la catalase 过氧化氢酶, qui décompose le peroxyde d'hydrogène nocif.
• Les enzymes extracellulaires 细胞外 sont sécrétées 分泌 (envoyées dehors) pour travailler hors de la cellule. Un exemple est l'amylase 淀粉酶, qui est libérée dans le tube digestif pour digérer 消化 l'amidon 淀粉.

Chaque enzyme possède une poche spéciale appelée site actif 活性位点. La molécule sur laquelle elle agit est son substrat 底物. Le substrat s'adapte au site actif pour former un complexe enzyme-substrat 酶底物复合物. La réaction se produit ensuite, et les produits 产物 partent, libérant le site actif pour le prochain substrat.

Spécificité

Une enzyme est spécifique : elle agit généralement sur un seul substrat. C'est parce que la forme du site actif est complémentaire 互补 à (s'adapte à) la forme de ce substrat et aucune autre. Nous appelons cela la spécificité 专一性.

Deux théories expliquent comment le substrat s'adapte :

• l'hypothèse de la serrure et de la clé 锁钥学说 — le site actif a une forme fixe, et seul un substrat dont la forme correspond s'adapte, comme une clé dans une serrure.
• l'hypothèse de l'ajustement induit 诱导契合学说 — le site actif n'a pas tout à fait la bonne forme au départ. Lorsque le substrat se lie, le site actif change légèrement de forme pour l'envelopper fermement. Cette idée s'accorde mieux avec les preuves.

Abaisser l'énergie d'activation

Toute réaction nécessite une petite « poussée » d'énergie pour démarrer, appelée énergie d'activation 活化能. Une enzyme abaisse l'énergie d'activation. Cela permet à la réaction de se dérouler rapidement à la température 温度 normale de la cellule, au lieu de nécessiter une forte chaleur.

Vous pouvez suivre une réaction enzymatique de deux façons :

• mesurer la vitesse de formation du produit. Avec la catalase, le gaz oxygène est un produit, on collecte donc le gaz et on mesure son volume au fil du temps.
• mesurer la vitesse de disparition du substrat. Avec l'amylase, on prélève des échantillons et on effectue le test à l'iode ; la couleur bleu-noir disparaît alors que l'amidon est consommé.

Un colorimètre 比色计 rend cela exact. Il fait passer de la lumière à travers le tube et mesure la quantité de lumière absorbée, de sorte qu'un changement de couleur devient un nombre que vous pouvez tracer.

La vitesse de réaction 反应速率 est la plus forte au début (le substrat est le plus présent), donc la vitesse initiale (la pente à l'instant zéro) est la valeur la plus juste pour comparer.

Exemple résolu. Dans les premières $20$ secondes d'une réaction de catalase, $16\ \text{cm}^3$ d'oxygène est collecté. Estimez la vitesse de réaction.

Comme la réaction est la plus rapide au début, mesurer sur cet intervalle court initial donne une valeur proche de la vitesse initiale ; moyenniser sur une durée plus longue inclurait les étapes plus lentes ultérieures et sous-estimerait la valeur.

Température

À mesure que la température augmente, les molécules gagnent plus d'énergie cinétique 动能 et entrain en collision 碰撞 plus souvent, donc la vitesse augmente. Mais au-delà de la température optimale 最适温度, l'enzyme commence à se dénaturer 变性 : la chaleur rompt les liaisons maintenant sa forme, de sorte que le site actif change et ne s'adapte plus au substrat. La vitesse chute alors rapidement.

pH

Chaque enzyme a un pH optimal. Si le pH s'éloigne trop de celui-ci, l'enzyme se dénature et la vitesse diminue. Pour étudier le pH équitablement, on le maintient stable avec une solution tampon 缓冲液.

Concentration en enzyme

Avec suffisamment de substrat, davantage d'enzyme signifie davantage de sites actifs, donc la vitesse augmente proportionnellement à la concentration en enzyme.

Concentration en substrat

Au début, ajouter plus de substrat accélère la réaction. Mais une fois que tous les sites actifs sont occupés, ajouter plus de substrat n'a aucun effet — la vitesse s'aplatit à un maximum.

Concentration en inhibiteur

Un inhibiteur 抑制剂 est une molécule qui ralentit une enzyme. Plus il y a d'inhibiteur, plus la vitesse est faible.

La vitesse d'aplatissement, lorsque tous les sites actifs sont saturés, est la vitesse maximale, notée $V_{\text{max}}$.

La constante de Michaelis–Menten 米氏常数 ($K_{\text{m}}$) est la concentration en substrat qui donne la moitié de $V_{\text{max}}$. Elle renseigne sur l'affinité 亲和力 (pouvoir d'attraction) de l'enzyme pour son substrat :

• non $K_{\text{m}}$ faible signifie que l'enzyme atteint la demi-vitesse à une faible concentration de substrat, donc elle a une forte affinité.
• non $K_{\text{m}}$ élevé signifie une faible affinité.

Ainsi, $K_{\text{m}}$ permet de comparer la force avec laquelle différentes enzymes lient leurs substrats.

Certains inhibiteurs sont réversibles 可逆 : ils peuvent quitter l'enzyme à nouveau. Il existe deux types.

Une enzyme immobilisée 固定化酶 est fixée en place — par exemple, piégée à l'intérieur de petites billes d'alginate 海藻酸盐 — au lieu de flotter librement en solution. La solution de substrat s'écoule le long des billes.

Une enzyme libre fonctionne généralement un peu plus vite, car le substrat peut y accéder facilement. Mais les enzymes immobilisées présentent de grands avantages pratiques :

• l'enzyme n'est pas lessivée, elle peut donc être réutilisée encore et encore.
• le produit est pur — il n'est pas mélangé à l'enzyme.
• l'enzyme est plus stable, elle résiste mieux aux variations de température et de pH.
• le processus peut fonctionner en continu, avec un flux constant de substrat entrant et de produits sortants.

• Expliquez l'action enzymatique avec le modèle de l'ajustement induit (le site actif s'adapte autour du substrat) — maintenant préféré au modèle clé-serrure.
• Au-dessus de l'optimum, l'enzyme se dénature (les liaisons hydrogène et la structure tertiaire se brisent) — écrivez « se dénature », jamais « meurt » ou « est tuée ».
• Distinquez les inhibiteurs : compétitif se lie au site actif (surmontable par plus de substrat, même $V_{max}$) ; non compétitif se lie ailleurs (réduit $V_{max}$).
• Comparez les vitesses en utilisant la vitesse initiale (tangente à t=0) — la mesure la plus juste, avant que le substrat ne devienne limitant.