La catalyse enzymatique

« ribonucléotidiques, les ribozymes.

Il s'agit de molécules d'ARN repliées sur elles-mêmes et capables de catalyser des réactions chimiques.

Dans la cellule, elles sont surtout associées à la synthèse des protéines ; on peut ainsi citer les ribosomes , qui effectuent l'assemblage de la chaîne peptidique .

CLASSIFICATION DES ENIYMES les enzymes sont rangées dans neuf grandes classes, en fonction des réactions qu'elles catalysent.

Un code est attribué à chacune de ces classes, par l'Enzyme commission numbers, sous la forme ECx.

Les oxydoréductases (EC 1) Elles catalysent les réactions d'oxydoréduction, ce qui signifie qu'elles transfèrent d'une molécule à une autre les protons H' et les électrons.

Cette famille regroupe les oxydases, les réductases , les peroxydases, les oxygénases et les hydrogénases.

Les transférases (EC l) Elles transfèrent des groupements tels que NH1 (ce sont les transaminases) ou P03 -(ce sont les kinases et les phosphatases) ; elles peuvent aussi déplacer un groupement dans une même molécule, et sont alors des mutases.

les kinases et les phosphatases sont particulièrement représentées dans les voies de signalisation intracellulaires, où elles activent ou inhibent d'autres enzymes.

Les hydrolases (EC 3) Elles hydrolysent des sucres (les osidases, comme la maltase), des peptides (les peptidases, comme la trypsine), des protéines (les protéases, comme chymotrypsine), des lipides (les lipases, comme la lipase pancréatique), des esters (comme les phospholipases ou les désoxyribonucléases) ...

Certaines, telle la pepsine, participent à la digestion, tandis que d'autres sont contenues dans les lysosomes, lesquels constituent un peu l'usine de traitement des déchets de la cellule.

Les lyases (EC 4) Elles brisent des liaisons chimiques à l'intérieur des molécules.

Des exemples en sont les décarboxylases, des aldolases ou des déshydratases.

Les isomérases (EC 5) Elles modifient la structure des molécules, en les transformant en leur isomère (ce qui signifie que les deux molécules ne diffèrent que par la disposition de leurs atomes) .

Des exemples en sont les racémases et les épimérases.

Les ligases (EC 6) Elles lient les molécules entre elles par des liaisons fortes (dites« covalentes»).

Les nudéases (EC 7) Elles coupent les liaisons phosphodiester reliant les nucléotides de l 'ADN ou de I'ARN.

Elles peuvent ainsi dégrader un brin d'ADN ou d 'ARN , soit en le rognant à partir de ses extrémités (ce sont les exonucléases), soit en le clivant en des points divers (ce sont les endonucléases , auxquelles appartiennent les enzymes de restriction qui ne s'attaquent qu'à des séquences nucléotidiques précises ).

Elles peuvent également appartenir à la catégorie des ribonucléases , qui ne fragmentent que I'ARN ; elles sont impliquées dans la digestion ou dans la réplication de l'ADN.

Les protéases (EC 8) Elles fragmentent les protéines en utilisa nt une molécule d'eau, ce qui les range dans la famille des hydrolases .

Elles sont impliquées dans la digestion des aliments (un exemple en est la pepsine) , dans la coagulation sanguine, dans le remodelage des tissus au cours du développement de l'organisme , dans la maturation des protéines lors de leur synthèse et dans la cicatrisation ; elles peuvent également être des toxines (ainsi, le venin de vipère contient un taux très élevé de protéa ses, qui détruisent les tissus et causent des hémorragies) .

Les synthétases (EC 9) Elles ont pour fonction de créer de nouvelles molécules par ligation, et appartiennent de ce fait à la classe des ligases.

Plus précisément, chaque enzyme est représentée par le code « EC » suivi de quatre nombres séparés par des points, lesquels traduisent chacun une étape dans la précision de la classification de l'enzyme ; ainsi, le premier nombre indique le type de réaction catalysée, le second le substrat général impliqué lors de la réaction, le troisième le substrat spéci fique impliqué et le quatrième le numéro de série de l'enzyme .

RtGULATION DU FONCTIONNEMENT DES ENIYMES les enzymes régissant les mécanismes complexes à l'origine de la vie des cellules, une bonne régulation de leur fonctionnement est indispensable.

Par conséquent , ils peuvent être, soit activés, soit inhibés (ce qui signifie que la vitesse de la réaction est augmentée ou, au contraire, diminuée).

Certain es molécules peuvent, selon les conditions, se comporter comme un activateur ou comme un inhibiteur .

l'inhibition enzymatique peut se dérouler selon trois schémas différents .

• Soit à l'aide d'un inhibiteur compétitif.

qui ressemble suffisammen t au substrat pour entrer en compétition avec celui-ci au niveau du site actif.

Ce dernier étant bloqu é, l'enzyme ne peut plus fonctionner .

Cet effet est souvent réversible, lorsque la concentration du compétiteur dans le milieu décroît suffisamment.

• Soit à l'aide d'un inhibiteur non­ compétitif, qui se lie à l'enzyme et déforme carrément le site actif.

empêchant celui-ci de fonctionner correctement.

Cette inhibition peut être ou non réversible .

• Soit à l'aide d'un inhibiteur incompétitif, qui se lie au complexe enzyme-substrat et le rend inactif.

Par ailleurs, l'activité de certaines enzymes peut être régulée par des molécules nommées « effecteurs » qui agissent au niveau de sites dits allostériques; on parle alors d'enzymes allostériques.

Ces effecteurs, soit bloquent l'enzyme dans sa forme active, ce qui l'inhibe, soit le désinhibent lorsqu'il est sous sa forme inactive.

Dans les cellules vivantes, le produit d'une voie métabolique est parfois un inhibiteur d'une enzyme allostérique ; ainsi, plus la concentration de ce produit augmente et moins l'enzyme fonctionne bien , ce qui permet d'exercer un rétrocontrôle négatif.

Certains de ces régulateurs naturels des voies métaboliques peuvent être des antibiotiques, ou des médicaments (tel le Viagra ®, inhibiteur de la phosphodiestérase 6 impliquée dans la vasoconstriction), tandis que d'autres, au contraire, peuvent avoir le rôle néfaste de toxines ou de poisons (telle cyanure, inhibiteur de la cytochrome oxydase indispensable à la resp iration cellulaire).

QUELQUES EXEMPLES D'UTILISATION INDUSTRIELLE INDUSTRIE AGIO-ALIMENTAIRE la fermentation enzymatique est l'une des plus anciennes techniques de transformation et de conservation des aliments.

Ainsi, il y a 8000 ans, les civilisations mésopotamiennes savaien t déjà comment, en absence d'oxygène, utiliser la fermentation alcoolique de la levure StlcchDromyces cerevisi11e pour produire de la bière, et ce grâce à des réactions chimiques au cours desquelles le sucre contenu dans l'orge était transformé en alcool et en gaz carbonique; ce sucre, l'amidon , est d'abord fragmenté en saccharose par l'alpha-amylase, ce saccharose étant ensuite dégradé en glucose et en maltose par l'inve rtase de la levure.

En présence d 'oxygène, Saccharomyces cerevisiae est depuis des millénaires utilisée dans la fabrication du pain, le sucre du blé donnant alors de l'eau et du gaz carbonique (lequel provoque le gonflement de la pâte ).

De même , l'homme fabrique du fromage depuis des millénaires grâce à la chymosine et à la pepsine contenues dans la présure.

Actuellement, les enzymes sont très utilisées dans l'industrie agroalimentaire.

Elles y serve nt par exemple à accroître les qualités organoleptiques ou nutritionnelles de certains aliments, à créer des subs tituts , à prolonger la conservation des produits ...

En ce qui concerne la transformation des aliments, on peut citer l'inve rtase , très utile en confiserie puisqu'elle liquéfie les pâte s sucrées fourrant certains bonbons au chocolat.

lors de la vinification, des mélanges de polygalacturonase de pectine favorisent l'extraction du jus et des pigments des grains de raisin .

Par ailleurs l' DspllrlDme , ce célèbre substitut du sucre est, entre autres moyens, obtenu à l'aide de l'enzyme thermolysine.

"'-------' De même, l'édulcorant d'origine végétal stévioside, qui présente un pouvoir sucra nt environ 300 fois supérieur à celui du sucre de table, est le résultat de l'utilisation de l'enzyme alpha­ glucosidase .

Dan s un autre domaine , l'arôme piquant de la moutarde est reprod uit artificiellement par action de la myrosinase sur des composants organiques, les glucosinolates.

De même des exhausteurs de goût tels que la 5'-IMP (pour inosine 5'­ monophosphate) et la 5'-GMP (pour guanosine 5'-monophosphate) sont obtenus par les actions successives d'une phosphodiestérase bactérienne , puis d'une désamina se.

Enfin , certains acides organiques utilisés comme acidulants (l'aci de malique, l'acide tartrique ...

) peuvent être synthétisés par catalyse enzymatique .

INDUSTRIE TEXTILE les enzymes ont également été employées dans l'industrie du textile.

Dans les années 1970, certaines marques de lessives appuyaient leurs campagnes publicitaires sur leurs « enzymes gloutons » (tels que les lipases , grandes destructrices de graisses, ou bien les protéases), censées dévorer les taches.

Bien que ça se soit soldé par un échec commercial chez des consommateurs inquiets de la préservation de leur linge , les enzymes ont de nouveau la cote chez des producteurs de lessives.

En effet, ces protéines actives permettent à la fois de diminuer de façon importante la quantité de détergent, d'éviter le recours à des phosphates (d'où une meilleure protection de l'environn ement ) et de contribuer à des économies d'énergie en abaissant la température de lavage .

Par ailleurs, depuis la fin des années 1980 est apparue en Europe une nouvelle technique pour délaver les jeans, le « biostoning », qui présente l'avantage hautement économique de préserver l'intégrité des tissus.

Ce procédé repose sur des protéines de fusion de cellulase, comprenant l'assemblage d'une zone centrale d'endoglucanase et d 'un domaine de liaison à la cellulose (le principal constituant du coton) .

la réaction est réglée de telle manière que les enzymes ne digèrent que la cellulose présente à la surface du jean.

Ces cellulases, recyclables et utilisables à basses températures , sont également utiles dans le traitement biologique des tissus et vêtements (ce que l'on nomme le« biofinishing »).

INDUSTRIE CHIMIQUE les enzymes secrétées par des végétaux ou des microorganismes (champignons , bactéries, actinomycètes, algues ...

) sont également sur le point de devenir des actrices importante s dans la dépollution par traitement biologique des déchets.

Cette opération peut s'effectuer, soit par biostimulation de l'activité des microorgani smes déjà présents , soit par introduction de micoorganismes dans le milieu .

l'utilisation des enzymes offre de nombreu x avantages : • elles peuvent s'attaquer à n'importe quel type de sol industriel, • elles n'ont pas besoin de grosses infrastructure s, • elles peuvent être utilisées in situ, ce qui évite le transport des matières à dépolluer, • elles ne génèrent pas d 'autres déchets .

Parm i les microorganismes les plus étudiés , on peut citer [es champignons de la pourriture blanche , très prolifiques en réaction s enzymatiques.

BIOTECHNOLOGIES les enzymes jouent par ailleurs le rôle d'outils incon tournables en biologie moléculaire.

Ainsi, les enzymes de restriction (qui appartiennent à la famille des endonucléases) permettent , tels de micro-ciseaux, de couper les molécules d'ADN en des points judicieusement choisis ; ces fragments peuvent ensuite être analysés afin de déterminer un génotype (d'où leur usage en criminalistique , ainsi qu'en tests de paternité ..

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), ou bien ils peuvent être introduits dans des bactér ies afin de faire exprimer des gènes déterminés ; à l'inverse, des enzymes telles que les ligases sont employées pour coller ensemble les segments d'ADN .

En outre la Taq polymérase , issue du microorgan isme Termophilus aquaticus, constitue une véritable photocopieuse à ADN , capable de répliquer cette molécule très vite et de façon exponentielle ; l'utilisation de la Taq polymérase dans des réactions dites de PCR (Polymerization Chain Readion ) est d'un intérêt crucial aussi bien en recherche fondamentale qu'en médecine ou en criminalistique, puisqu'elle donne la possibilité de réaliser la carte d'identité génétique d'un individu à partir d'échantillons cellulaires microscopiques.

FABRICATION ARTIFICIELLE D'ENZYMES Actuellement, les recherches visent à contrôler l'amplification de la production des enzymes par les cellules, ainsi que les mécanismes permettant à celles-ci de les sécréter.

De même, il devrait s'avérer possible de mettre au point des enzymes « hybr ides », dotées d'un domaine qui faciliterait leur purification.

Par ailleurs, la biotechnologie vise à créer des enzymes recombinantes , capables de travailler dans des conditions de pH et de températures définies par les industriels ; des résultats encourageants ont déjà été obtenus dans ce domaine.

Enfin, depuis une quinzaine d'années ont été mis au point des abzymes (mélange de « antibody » et «enzyme»), soit des anticorps monoclonaux artificiels capables, à l'instar des «vraies » enzymes, de cataly ser des réactions chimiques .

Ils furent employés pour la première fois avec succès en 1986, dans un système immunitaire de mammifère.

Il est à noter que, si les abzymes sont la plupart du temps synthétisées en tant qu'outils biotechnologiques, on peut en rencontrer de naturelles dans l'intes tin et chez des personnes atteintes d'une maladie auto-immunitaire, le lupus erythematosus (elles ont alors pour fonction d'hydrolyser l'ADN).. »