Plan du chapitre

Ce chapitre a été réalisé durant l’année scolaire 2019-2020 – dernière MAJ juin 2019.

Ressources du TP1

– fiche du TP
– vidéo de la technique
– fiche technique du logiciel
– corrigé du TP

Ressources du TP2

– fiche du TP
– vidéo de la technique
– fiche technique du logiciel
– corrigé du TP

Introduction

Afin d’assurer leur fonctionnement, les cellules fabriquent leur propre matière et énergie en effectuant de nombreuses réactions chimiques, c’est le métabolisme cellulaire. Pour ce faire, elles possèdent des protéines particulières : les enzymes.

En quoi les enzymes sont elles indispensables au fonctionnement cellulaire ?

I.  Les enzymes, des protéines particulières

1) Définition et rôle des enzymes

Pb : Quel est le rôle des enzymes dans le métabolisme cellulaire ?

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Une enzyme est une protéine qui accélère une réaction chimique au cours de laquelle un (ou des) substrat(s) sont transformés en un (ou des) produit(s). C’est un catalyseur (accélérateur) de réaction chimique.

Au moment de la réaction, l’enzyme forme un complexe temporaire avec le substrat et le transforme en produit. L’enzyme n’est pas modifiée, elle reste intacte après la réaction chimique et peut donc catalyser une nouvelle réaction.

E+S <–> ES -> E+P

Schéma d’une réaction chimique catalysée par une enzyme

(E : enzyme, S : substrat, ES : complexe enzyme-substrat, P : produit)

amylase + amidon <–> amylase-amidon -> amylase + glucose

Exemple de la réaction chimique catalysée par l’amylase

Schémas de la liaison enzyme-substrat au cours d’une réaction chimique

Certaines réactions enzymatiques nécessitent la présence de molécules d’eau pour briser les liaisons entre les molécules du substrat et former le produit. On parle alors de réaction d’hydrolyse (hydro = eau, lyse = casser).

H-(glucose)-(glucose)-(glucose)-(glucose)-OH + H2O -> H-(glucose)-(glucose)-OH + H-(glucose)-(glucose)-OH

Schéma de l’hydrolyse de l’amidon (voir TP1)

Une enzyme est donc un outil moléculaire qui facilite les réactions chimiques.

Télécharger / ouvrir : Activité 1 – Application sur le jus de banane

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2) Les propriétés des enzymes 

Pb : Quelles sont les propriétés des enzymes qui sous-tendent leur rôle essentiel dans le métabolisme cellulaire ?

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Schéma du site actif sur une enzyme (le site actif est constitué d’un site de fixation et d’un site catalytique)

Les enzymes sont constituées d’un enchaînement d’acides aminés (ce sont les composants des protéines). Elles se replient dans l’espace en fonction de leur séquence en acides aminés et adoptent ainsi une structure tridimensionnelle. Lors de ce repliement, quelques acides aminés vont former le site actif de l’enzyme (+ voir schéma et modèle sur Rastop vu en TP).

Le site actif est donc responsable de l’activité enzymatique et sa structure tridimensionnelle est essentielle pour le fonctionnement de l’enzyme :

  • elle permet la reconnaissance du substrat et la formation du complexe enzyme/substrat. Chaque enzyme ne reconnait qu’un substrat (ou un groupe de substrats), c’est la spécificité de substrat.

Ex: l’amylase reconnait l’amidon et le glycogène (2 glucides), la maltase reconnait uniquement le maltose

  • elle permet la catalyse d’une réaction chimique. La formation du complexe enzyme/substrat induit toujours la même réaction chimique, c’est la spécificité de réaction.

Ex : l’amylase réalise une hydrolyse de l’amidon alors que l’amidon synthétase permet la fabrication d’une molécule d’amidon plus grande en ajoutant du glucose – Ces deux enzymes ont pour substrat l’amidon mais ne réalisent pas la même réaction chimique.

Ex: l’amylase réalise l’hydrolyse de l’amidon, l’amidon-synthétase permet la synthèse de l’amidon

Transition : Les enzymes reconnaissent donc un substrat et accélèrent une réaction chimique. Les cellules des êtres vivants étant spécialisées, on peut se demander si les mêmes enzymes sont présentes dans toutes les cellules d’un être vivant.

II – Cellules et contenu enzymatique

Pb : Chaque cellule possède-t-elle toutes les enzymes permettant de catalyser l’ensemble des réactions chimiques nécessaires à la survie de l’individu ? 

Il est possible d’identifier les protéines contenues dans une cellule par différentes techniques (marquage, migration…), et ainsi de connaitre les enzymes présentes dans une cellule.

Chez les organismes pluricellulaires, chaque type de cellule possède un contenu enzymatique spécifique. En fonction des enzymes que la cellule possède, elle ne pourra pas effectuer toutes les réactions chimiques possibles. Le métabolisme d’une cellule est ainsi limité par son contenu enzymatique. Plus une cellule est spécialisée dans une fonction donnée, moins elle possède d’enzymes différentes.

enzymecellule hépatiquecellule musculairecellule nerveuse
glycogène synthase++0
glycogène phosphorylase++0
glucokinase+++

Tableau présentant l’équipement enzymatique de cellules différenciées (+ : présence ; 0 : absence)

Aide de lecture : La glycogène synthase permet de transformer le glucose en molécule de glycogène (forme de stockage du glucose). Les cellules hépatiques (du foie) et les cellules musculaires stockent le glucose en le transformant en glycogène. La glycogène phosphorylase permet de transformer le glycogène en glucose pour que la cellule puisse l’utiliser pour son métabolisme. L’enzyme glucokinase permet de transformer le glucose qui circule dans le sang en glucose utilisable par la cellule.

Chez les organismes unicellulaires, la cellule possède un contenu enzymatique qui varie en fonction des conditions de l’environnement : température, pH, mais aussi présence de substrats. Lorsqu’un substrat apparaît dans l’environnement, l’enzyme qui catalyse sa transformation apparaît dans la cellule. Lorsque le substrat disparaît de l’environnement, l’enzyme qui catalyse sa transformation disparaît dans la cellule.

Transition : Les cellules possèdent uniquement les enzymes permettant de catalyser les réactions métaboliques qu’elles effectuent.  Les enzymes reconnaissent donc un substrat et accélèrent une réaction chimique qui pourrait s’effectuer spontanément (sans enzymes) dans certaines conditions de température et/ou d’acidité, mais se dérouleraient trop lentement dans les conditions intracellulaires.

III – Caractérisation de l’activité enzymatique

Pb : Dans quelles conditions l’activité des enzymes est-elle optimale ? 

Activité TP2 – B (protocole + lactase)

Une perturbation du repliement spatial de l’enzyme affectant le site actif de l’enzyme (modification de la séquence des acides aminés, modification des conditions de température ou de pH) peut perturber le fonctionnement de l’enzyme.

L’activité d’une enzyme est déterminée par la vitesse à laquelle l’enzyme catalyse sa réaction. Cette vitesse est maximale lorsque l’enzyme se trouve dans ses conditions optimales de température et de pH – qui correspondent généralement aux conditions du milieu intracellulaire.

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Graphique de l’activité enzymatique en fonction du pH ou de la température

Aide de lecture : Lorsque l’on s’éloigne des conditions optimales de température et/ou de pH, la structure spatiale du site actif de l’enzyme est modifiée, ce qui perturbe la liaison avec le substrat et la réalisation de la réaction chimique. 

Capture d’écran du logiciel Lactase permettant de modéliser des réactions chimiques

La cinétique enzymatique est l’étude de la vitesse des réactions enzymatiques. 

Pour une concentration d’enzyme et de substrat donnée, la vitesse de la réaction enzymatique est maximale en début d’expérience (vitesse initiale) : les enzymes forment de nombreux complexes enzymes-substrat et catalysent leur réaction. Au fur et à mesure de l’expérience, la concentration en produits augmente et la concentration en substrat diminue (ils ont été transformés en produits). Il y a donc de moins en moins de complexes enzyme-substrat formés, la vitesse de réaction diminue.

Graphique représentant la concentration de produit formé en fonction du temps depuis le début de l’expérience, pour une concentration d’enzyme et de substrat donnée.

Pour aller plus loin…

La vitesse initiale de la réaction enzymatique reflète l’efficacité de l’enzyme pour catalyser sa réaction : plus la vitesse initiale est élevée, plus l’enzyme catalyse rapidement sa réaction. 

On peut déterminer graphiquement la vitesse initiale (Vi) d’une réaction enzymatique en traçant la tangente à t0 sur le graphique représentant la concentration de produit formé en fonction du temps.

Vi = ∆P/∆t=(yb-ya)/(xb-xa)

Pour une concentration d’enzyme donnée, on peut aussi mesurer la vitesse initiale de la réaction enzymatiquepour différentes concentrations de substrat. La vitesse initiale varie en fonction de cette concentration car cela influence la probabilité de formation du complexe enzyme-substrat.

Pour aller plus loin…

L’étude du graphique représentant la vitesse initiale en fonction de la concentration de substrat montre que la vitesse initiale de la réaction augmente lorsque la concentration en substrat augmente jusqu’à atteindre un plateau. Ce plateau correspond à la vitesse maximale (Vmax) de réaction enzymatique, atteinte lorsque la concentration de substrat est assez élevée pour que toutes les enzymes forment un complexe enzyme-substrat. Il y a alors saturation de l’enzyme (si on rajoute du substrat, il ne peut pas se lier à l’enzyme)

Graphique représentant la vitesse initiale de la réaction en fonction de la concentration en substrat, pour une concentration d’enzyme donnée.

-> L’activité enzymatique dépend donc de l’affinité de l’enzyme pour son substrat (capacité à former un complexe enzyme-substrat, évalué par la vitesse initiale de la réaction) et est optimale lorsque la concentration en substrat permet de saturer l’enzyme (évaluée par la vitesse maximale de la réaction).

Bilan: Les enzymes sont efficaces lorsqu’elles se trouvent dans des conditions optimales de température et de pH et que la concentration en substrat est suffisante. Elles catalysent alors la transformation du substrat en produit à l’intérieur de la cellule.

Conclusion

Les enzymes sont des protéines permettant de transformer des molécules à une vitesse suffisante dans la cellule. Elles catalysent toutes les réactions chimiques nécessaires au métabolisme des cellules et sont donc indispensables au fonctionnement cellulaire. Leur présence détermine les réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule ; elles sont donc un marqueur de la spécialisation cellulaire.

On sait maintenant que les enzymes sont indispensables au fonctionnement cellulaire car elles catalysent les réactions chimiques nécessaires au métabolisme des cellules.