Catalyse enzymatique

Ces changements de conformation rapprochent également les résidus catalytiques du site actif des liaisons chimiques du substrat qui seront modifiées dans la réaction. Après que la liaison a eu lieu, un ou plusieurs mécanismes de catalyse abaissent l’énergie de l’état de transition de la réaction, en fournissant une voie chimique alternative pour la réaction. Il existe six mécanismes possibles de catalyse « par-dessus la barrière » ainsi qu’un mécanisme « à travers la barrière » :

Proximité et orientationEdit

Les interactions enzyme-substrat alignent les groupes chimiques réactifs et les maintiennent proches les uns des autres dans une géométrie optimale, ce qui augmente la vitesse de la réaction. Cela réduit l’entropie des réactifs et rend donc les réactions d’addition ou de transfert moins défavorables, puisqu’il y a une réduction de l’entropie globale lorsque deux réactifs deviennent un seul produit. Cependant, il s’agit d’un effet général, que l’on observe dans les réactions de non-addition ou de transfert, où il est dû à une augmentation de la « concentration effective » des réactifs. On le comprend lorsqu’on examine comment l’augmentation de la concentration entraîne une augmentation de la vitesse de réaction : essentiellement, lorsque les réactifs sont plus concentrés, ils entrent plus souvent en collision et réagissent donc plus souvent. Dans la catalyse enzymatique, la liaison des réactifs à l’enzyme restreint l’espace conformationnel des réactifs, les maintenant dans la « bonne orientation » et proches les uns des autres, de sorte qu’ils entrent en collision plus fréquemment, et avec la bonne géométrie, pour faciliter la réaction souhaitée. La « concentration effective » est la concentration que le réactif devrait avoir, libre en solution, pour connaître la même fréquence de collision. Souvent, ces concentrations effectives théoriques sont non physiques et impossibles à réaliser dans la réalité – ce qui témoigne du grand pouvoir catalytique de nombreuses enzymes, avec des augmentations massives de la vitesse par rapport à l’état non catalysé.

Par exemple :

Des réactions similaires se produiront beaucoup plus rapidement si la réaction est intramoléculaire.

La concentration effective d’acétate dans la réaction intramoléculaire peut être estimée à k2/k1 = 2 x 105 Molaire.

Cependant, la situation pourrait être plus complexe, puisque des études computationnelles modernes ont établi que les exemples traditionnels d’effets de proximité ne peuvent pas être reliés directement aux effets entropiques des enzymes. De plus, on a constaté que la proposition entropique originale surestime largement la contribution de l’entropie d’orientation à la catalyse.

Donneurs ou accepteurs de protonsModifier

Donneurs et accepteurs de protons, c’est-à-dire que les acides et les bases peuvent donner et accepter des protons afin de stabiliser les charges en développement dans l’état de transition. Ceci est lié au principe général de la catalyse, celui de la réduction des barrières énergétiques, puisqu’en général les états de transition sont des états à haute énergie, et en les stabilisant cette haute énergie est réduite, abaissant la barrière. Une caractéristique clé de la catalyse enzymatique par rapport à de nombreuses autres catalyseurs non biologiques est que la catalyse acide et la catalyse basique peuvent être combinées dans la même réaction. Dans de nombreux systèmes abiotiques, les acides (grandes concentrations) ou les bases (grandes concentrations de puits de H+, ou espèces avec paires d’électrons) peuvent augmenter la vitesse de la réaction ; mais bien sûr, l’environnement ne peut avoir qu’un seul pH global (mesure de l’acidité ou de la basicité (alcalinité)). Cependant, puisque les enzymes sont de grandes molécules, elles peuvent positionner à la fois des groupes acides et des groupes basiques dans leur site actif pour interagir avec leurs substrats, et employer les deux modes indépendamment du pH global.

Souvent, la catalyse acide ou basique générale est employée pour activer les groupes nucléophiles et/ou électrophiles, ou pour stabiliser les groupes partants. De nombreux acides aminés avec des groupes acides ou basiques sont ainsi employés dans le site actif, comme l’acide glutamique et aspartique, l’histidine, la cystine, la tyrosine, la lysine et l’arginine, ainsi que la sérine et la thréonine. En outre, le squelette peptidique, avec des groupes N carbonyle et amide, est souvent employé. La cystine et l’histidine sont très couramment impliquées, car elles ont toutes deux un pKa proche du pH neutre et peuvent donc à la fois accepter et donner des protons.

De nombreux mécanismes réactionnels impliquant une catalyse acide/base supposent une altération substantielle du pKa. Cette altération du pKa est possible grâce à l’environnement local du résidu.

Conditions	Acides	Bases
Environnement hydrophobe	Augmentation du pKa	Diminution du pKa
Résidus adjacents de même charge	Augmentation du pKa	Diminution du pKa
Formation de ponts salins (et de liaisons hydrogène )	Diminution du pKa	Incrémentation du pKa

Le pKa peut également être influencé de manière significative par le milieu environnant, dans la mesure où les résidus qui sont basiques en solution peuvent agir comme des donneurs de protons, et vice versa.

Par exemple :

Triade catalytique d’une sérine protéase

L’étape initiale du mécanisme catalytique de la sérine protéase implique que l’histidine du site actif accepte un proton du résidu sérine. Ceci prépare la sérine comme nucléophile pour attaquer la liaison amide du substrat. Ce mécanisme comprend le don d’un proton de la sérine (une base, pKa 14) à l’histidine (un acide, pKa 6), rendu possible grâce à l’environnement local des bases.

Il est important de préciser que la modification des pKa est une pure partie du mécanisme électrostatique. En outre, l’effet catalytique de l’exemple ci-dessus est principalement associé à la réduction du pKa de l’oxyanion et à l’augmentation du pKa de l’histidine, tandis que le transfert de protons de la sérine à l’histidine n’est pas catalysé de manière significative, car il ne constitue pas la barrière déterminant le taux.

Catalyse électrostatiqueEdit

La stabilisation des états de transition chargés peut également se faire par des résidus du site actif formant des liaisons ioniques (ou des interactions partielles de charge ionique) avec l’intermédiaire. Ces liaisons peuvent soit provenir de chaînes latérales acides ou basiques que l’on trouve sur des acides aminés comme la lysine, l’arginine, l’acide aspartique ou l’acide glutamique, soit provenir de cofacteurs métalliques comme le zinc. Les ions métalliques sont particulièrement efficaces et peuvent réduire suffisamment le pKa de l’eau pour en faire un nucléophile efficace.

Des études systématiques de simulation par ordinateur ont établi que les effets électrostatiques donnent, de loin, la plus grande contribution à la catalyse. Ils peuvent augmenter la vitesse de réaction d’un facteur allant jusqu’à 107. En particulier, on a découvert que l’enzyme fournit un environnement plus polaire que l’eau et que les états de transition ioniques sont stabilisés par des dipôles fixes. Ceci est très différent de la stabilisation des états de transition dans l’eau, où les molécules d’eau doivent payer avec une « énergie de réorganisation ». afin de stabiliser les états ioniques et chargés. Ainsi, la catalyse est associée au fait que les groupes polaires de l’enzyme sont préorganisés

Il a été démontré que l’ampleur du champ électrostatique exercé par le site actif d’une enzyme est fortement corrélée à l’amélioration de la vitesse catalytique de l’enzyme

La liaison du substrat exclut généralement l’eau du site actif, abaissant ainsi la constante diélectrique locale à celle d’un solvant organique. Cela renforce les interactions électrostatiques entre les substrats chargés/polaires et les sites actifs. En outre, des études ont montré que les distributions de charges autour des sites actifs sont organisées de manière à stabiliser les états de transition des réactions catalysées. Dans plusieurs enzymes, ces distributions de charge servent apparemment à guider les substrats polaires vers leurs sites de liaison, de sorte que les taux de ces réactions enzymatiques sont supérieurs à leurs limites apparentes contrôlées par la diffusion.

Par exemple:

Mécanisme catalytique de la carboxypeptidase

L’intermédiaire tétraédrique est stabilisé par une liaison ionique partielle entre l’ion Zn2+ et la charge négative de l’oxygène.

Catalyse covalenteModifié

La catalyse covalente implique que le substrat forme une liaison covalente transitoire avec les résidus du site actif de l’enzyme ou avec un cofacteur. Cela ajoute un intermédiaire covalent supplémentaire à la réaction, et contribue à réduire l’énergie des états de transition ultérieurs de la réaction. Le lien covalent doit, à un stade ultérieur de la réaction, être rompu pour régénérer l’enzyme. Ce mécanisme est utilisé par la triade catalytique d’enzymes telles que les protéases comme la chymotrypsine et la trypsine, où un intermédiaire acyl-enzyme est formé. Un mécanisme alternatif est la formation d’une base de schiff utilisant l’amine libre d’un résidu de lysine, comme on le voit dans l’enzyme aldolase pendant la glycolyse.

Certaines enzymes utilisent des cofacteurs non acides aminés tels que le phosphate de pyridoxal (PLP) ou le pyrophosphate de thiamine (TPP) pour former des intermédiaires covalents avec les molécules réactives. Ces intermédiaires covalents ont pour fonction de réduire l’énergie des états de transition ultérieurs, de la même manière que les intermédiaires covalents formés avec les résidus d’acides aminés du site actif permettent la stabilisation, mais les capacités des cofacteurs permettent aux enzymes de réaliser des réactions que les résidus latéraux d’acides aminés seuls ne pourraient pas réaliser. Les enzymes utilisant de tels cofacteurs comprennent l’enzyme aspartate transaminase dépendante du PLP et l’enzyme pyruvate déshydrogénase dépendante du TPP.

Plutôt que d’abaisser l’énergie d’activation pour une voie de réaction, la catalyse covalente fournit une voie alternative pour la réaction (via l’intermédiaire covalent) et est donc distincte de la véritable catalyse. Par exemple, l’énergétique de la liaison covalente avec la molécule de sérine dans la chymotrypsine doit être comparée à la liaison covalente bien connue avec le nucléophile dans la réaction en solution non catalysée. Une véritable proposition de catalyse covalente (où la barrière est inférieure à la barrière correspondante en solution) nécessiterait, par exemple, une liaison covalente partielle à l’état de transition par un groupe enzymatique (par exemple, une liaison hydrogène très forte), et de tels effets ne contribuent pas de manière significative à la catalyse.

Catalyse par ions métalliquesModifié

Un ion métallique dans le site actif participe à la catalyse en coordonnant la stabilisation de la charge et le blindage. En raison de la charge positive d’un métal, seules les charges négatives peuvent être stabilisées par les ions métalliques. Cependant, les ions métalliques sont avantageux dans la catalyse biologique car ils ne sont pas affectés par les changements de pH. Les ions métalliques peuvent également agir pour ioniser l’eau en agissant comme un acide de Lewis. Les ions métalliques peuvent également être des agents d’oxydation et de réduction.

Déformation de liaisonEdit

C’est le principal effet de la liaison d’ajustement induite, où l’affinité de l’enzyme pour l’état de transition est plus grande que pour le substrat lui-même. Cela induit des réarrangements structurels qui contraignent les liaisons du substrat dans une position plus proche de la conformation de l’état de transition, diminuant ainsi la différence d’énergie entre le substrat et l’état de transition et aidant à catalyser la réaction.

Cependant, l’effet de contrainte est, en fait, un effet de déstabilisation de l’état fondamental, plutôt qu’un effet de stabilisation de l’état de transition. De plus, les enzymes sont très flexibles et elles ne peuvent pas appliquer un effet de déformation important.

En plus de la déformation de liaison dans le substrat, la déformation de liaison peut également être induite au sein de l’enzyme elle-même pour activer les résidus du site actif.

Par exemple :

Conformations du substrat, du substrat lié et de l’état de transition du lysozyme.

Le substrat, lors de la liaison, est déformé de la conformation demi-chaise du cycle hexose (en raison de l’encombrement stérique avec les acides aminés de la protéine forçant le c6 équatorial à être en position axiale) en conformation chaise

Tunnellisation quantiqueEdit

Ces mécanismes traditionnels « par-dessus la barrière » ont été remis en cause dans certains cas par des modèles et des observations de mécanismes « à travers la barrière » (tunnellisation quantique). Certaines enzymes fonctionnent avec des cinétiques qui sont plus rapides que ce qui serait prédit par le ΔG‡ classique. Dans les modèles « through the barrier », un proton ou un électron peut traverser par effet tunnel les barrières d’activation. L’effet tunnel quantique pour les protons a été observé dans l’oxydation de la tryptamine par l’amine aromatique déshydrogénase.

L’effet tunnel quantique ne semble pas fournir un avantage catalytique majeur, puisque les contributions d’effet tunnel sont similaires dans les réactions catalysées et non catalysées en solution. Cependant, la contribution de l’effet tunnel (qui améliore généralement les constantes de vitesse par un facteur de ~1000 par rapport à la vitesse de réaction pour la voie classique  » par-dessus la barrière « ) est probablement cruciale pour la viabilité des organismes biologiques. Cela souligne l’importance générale des réactions à effet tunnel en biologie.

En 1971-1972, le premier modèle de mécanique quantique de la catalyse enzymatique a été formulé.

Enzyme activeEdit

L’énergie de liaison du complexe enzyme-substrat ne peut être considérée comme une énergie externe nécessaire à l’activation du substrat. L’enzyme à haut contenu énergétique peut d’abord transférer un certain groupe énergétique spécifique X1 du site catalytique de l’enzyme à la place finale du premier réactif lié, puis un autre groupe X2 du second réactif lié (ou du second groupe du réactif unique) doit être transféré au site actif pour terminer la conversion du substrat en produit et la régénération de l’enzyme.

Nous pouvons présenter l’ensemble de la réaction enzymatique comme deux réactions de couplage :

S 1 + EX 1 ⟶ S 1 EX 1 ⟶ P 1 + EP 2 {\displaystyle {\ce {{S1}+ EX1 -> S1EX1 -> {P1}+ EP2}}.

(1)

S 2 + EP 2 ⟶ S 2 EP 2 ⟶ P 2 + EX 2 {\displaystyle {\ce {{S2}+ EP2 -> S2EP2 -> {P2}+ EX2}}}

(2)

On peut voir dans la réaction (1) que le groupe X1 de l’enzyme active apparaît dans le produit en raison de la possibilité de la réaction d’échange à l’intérieur de l’enzyme pour éviter à la fois l’inhibition électrostatique et la répulsion des atomes. Nous représentons donc l’enzyme active comme un puissant réactif de la réaction enzymatique. La réaction (2) montre une conversion incomplète du substrat car son groupe X2 reste dans l’enzyme. Cette approche comme idée avait précédemment proposé en se basant sur les hypothétiques conversions enzymatiques extrêmement élevées (enzyme catalytiquement parfaite).

Le point crucial pour la vérification de la présente approche est que le catalyseur doit être un complexe de l’enzyme avec le groupe de transfert de la réaction. Cet aspect chimique est soutenu par les mécanismes bien étudiés de plusieurs réactions enzymatiques. Considérons la réaction d’hydrolyse des liaisons peptidiques catalysée par une protéine pure, l’α-chymotrypsine (une enzyme agissant sans cofacteur), qui est un membre bien étudié de la famille des sérines protéases, voir.

Nous présentons les résultats expérimentaux de cette réaction en deux étapes chimiques :

S 1 + EH ⟶ P 1 + EP 2 {\displaystyle {\ce {{S1}+ EH -> {P1}+ EP2}}.

(3)

EP 2 + H – O – H ⟶ EH + P 2 {\displaystyle {\ce {{EP2}+ {H-O-H}-> {EH}+ P2}}

(4)

où S1 est un polypeptide, P1 et P2 sont des produits. La première étape chimique (3) comprend la formation d’un intermédiaire acyl-enzyme covalent. La deuxième étape (4) est l’étape de désacylation. Il est important de noter que le groupe H+, initialement présent sur l’enzyme, mais pas dans l’eau, apparaît dans le produit avant l’étape d’hydrolyse, il peut donc être considéré comme un groupe supplémentaire de la réaction enzymatique.

Ainsi, la réaction (3) montre que l’enzyme agit comme un puissant réactif de la réaction. Selon le concept proposé, le transport de H de l’enzyme favorise la première conversion du réactif, la rupture de la première liaison chimique initiale (entre les groupes P1 et P2). L’étape d’hydrolyse conduit à une rupture de la seconde liaison chimique et à la régénération de l’enzyme.

Le mécanisme chimique proposé ne dépend pas de la concentration des substrats ou des produits dans le milieu. Cependant, un déplacement de leur concentration entraîne principalement des changements d’énergie libre dans les premières et dernières étapes des réactions (1) et (2) en raison des modifications du contenu en énergie libre de chaque molécule, qu’il s’agisse de S ou de P, dans la solution aqueuse.Cette approche est en accord avec le mécanisme suivant de la contraction musculaire. L’étape finale de l’hydrolyse de l’ATP dans le muscle squelettique est la libération de produit causée par l’association des têtes de myosine avec l’actine. La fermeture de la fente de liaison à l’actine pendant la réaction d’association est structurellement couplée à l’ouverture de la poche de liaison aux nucléotides sur le site actif de la myosine.

Notamment, les étapes finales de l’hydrolyse de l’ATP comprennent la libération rapide de phosphate et la libération lente d’ADP.La libération d’un anion phosphate à partir de l’anion ADP lié dans la solution aqueuse peut être considérée comme une réaction exergonique car l’anion phosphate a une faible masse moléculaire.

On arrive donc à la conclusion que la libération primaire du phosphate inorganique H2PO4- conduit à la transformation d’une partie significative de l’énergie libre de l’hydrolyse de l’ATP en énergie cinétique du phosphate solvaté, produisant un flux actif. Cette hypothèse d’une transduction mécano-chimique locale est en accord avec le mécanisme de contraction musculaire de Tirosh, où la force musculaire dérive d’une action intégrée du flux actif créé par l’hydrolyse de l’ATP.