Enzyme

enzyme, protéine agissant comme catalyseur de nombreuses réactions biochimiques. Actuellement, près de 1 000 enzymes différentes ont été identifiées. La science qui étudie les enzymes est l’enzymologie.

Les enzymes participent à la quasi-totalité des réactions biochimiques à l’intérieur et à proximité immédiate d’une cellule. Les enzymes de l’appareil digestif dégradent les glucides, les lipides et les protéines qui proviennent de l’alimentation en éléments simples, facilement assimilables par les cellules du tube digestif. Certaines enzymes, présentes en très faibles quantités sur la peau, détruisent la paroi et le matériel génétique des virus, participant ainsi à la défense passive de l’organisme. À l’intérieur des cellules, les enzymes permettent l’utilisation du glucose, le stockage d’énergie chimique sous forme d’ATP, la dégradation des molécules « usagées », la réplication des molécules d’ADN, la transcription (voir ARN), la formation de nouvelles protéines, etc. (voir métabolisme).

Les parties de l'enzyme représentées par des billes de couleur correspondent au site actif de la molécule.Modélisation de la structure tridimensionnelle d'une enzyme.

Les enzymes sont des substances extrêmement efficaces. Elles sont en effet capables, à faible concentration, de catalyser, à basse température (la température corporelle), des réactions chimiques qui nécessiteraient, par des voies chimiques ordinaires, de puissants réactifs et des températures très élevées. Par exemple, 30 g environ de pepsine pure permettent de digérer près de 2 tonnes de blanc d’œuf en quelques heures !

Les enzymes sont des catalyseurs (terme proposé en 1823 par le chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius), c’est-à-dire des substances capables d’accroître la vitesse d’une réaction chimique sans être elles-mêmes modifiées pendant le processus. Lors de la réaction, le ou les substrats (la ou les molécules « de départ ») sont transformés en un ou plusieurs produits (la ou les molécules « d’arrivée »). Bien que, dans des conditions physiologiques normales, l’enzyme catalyse une réaction chimique déterminée, elle peut également activer la transformation inverse.

Seul un site particulier de la protéine enzymatique entre en contact avec son substrat : c’est le site actif. Celui-ci est encore divisible en deux régions particulières. Le site de fixation permet à l’enzyme de « s’accrocher » à la molécule, et de positionner cette dernière de façon optimale, tandis que le site catalytique déclenche le processus réactionnel.

La spécificité des enzymes vis-à-vis de leur substrat est très variable. Par exemple, la pepsine et la trypsine, enzymes qui participent aux processus de la digestion de la viande, peuvent catalyser à elles deux l’hydrolyse de la plupart des liaisons peptidiques existantes ; d’autres, comme l’uréase, sont extrêmement spécifiques, n’intervenant que dans un très petit nombre de réactions.

Certaines enzymes possèdent la propriété particulière d’autocatalyse, qui leur permet d’enclencher leur propre synthèse à partir d’un précurseur inerte, appelé zymogène. C’est le cas, entre autres, de la pepsine et de la trypsine, dont les précurseurs sont le pepsinogène et le trypsinogène. Cette particularité a une incidence biologique : elle permet, dans le cas de la trypsine, que l’enzyme produite par le pancréas ne soit active que sur le lieu où elle est nécessaire, en l’occurrence l’intestin. Le trypsinogène ne peut se convertir en trypsine qu’en présence de molécules de trypsine existantes, qu’il ne rencontre que dans l’intestin.

Beaucoup d’enzymes ont besoin de la présence de « cofacteurs » pour jouer leur rôle de catalyseur. Ce sont souvent des ions comme le calcium, le fer, le magnésium ou le manganèse, qui se lient à l’enzyme pour lui permettre d’acquérir sa forme fonctionnelle. Les cofacteurs peuvent également être des coenzymes ; dans ce cas, l’enzyme dénuée d’activité biologique est appelée apoenzyme. Apoenzyme et coenzyme s’associent pour donner l’enzyme active. Nombreuses sont les coenzymes dont les précurseurs sont des vitamines, fournies par l’alimentation.

Des méthodes expérimentales et des modèles mathématiques permettent de caractériser l’affinité d’une enzyme pour un substrat donné et de déterminer la vitesse de réaction catalysée en fonction de la température, du pH et de la force ionique du milieu réactionnel. Ainsi, les enzymologistes démontrent que les réactions catalysées par les enzymes diffèrent des réactions inorganiques simples. Par exemple, l’efficacité d’une enzyme dépend étroitement de la température : une augmentation de température peut accélérer une réaction jusqu’à un certain seuil, au-delà duquel l’enzyme devient inactive. De même, l’activité catalytique d’une enzyme a une efficacité maximale à un certain taux d’acidité (pH de la solution). Par exemple, pour la pepsine (qui agit dans l’estomac, où l’acidité est très élevée), le pH optimal est égal à 1, alors que, pour la plupart des enzymes des cellules, il est de 7.

Les enzymes sont classées, depuis 1961, en plusieurs grandes catégories dépendant du type de réactions qu’elles contrôlent. Ainsi, les hydrolases accélèrent des réactions faisant intervenir des molécules d’eau, au cours desquelles une substance est décomposée (hydrolysée) en molécules plus simples. Les oxydoréductases accélèrent les réactions d’oxydation ou de réduction. Citons également les transférases (transfert d’un groupement chimique actif d’une molécule à une autre), les lyases (transfert d’un groupe chimique, avec formation d’une double liaison), les ligases (catalyse des réactions de synthèse) et les isomérases (réarrangement de la structure moléculaire du substrat).

Le nom des enzymes est obtenu en ajoutant le suffixe -ase au nom du substrat avec lequel elles réagissent. Ainsi, l’enzyme qui contrôle la dégradation de l’urée est l’uréase, celles qui accélèrent l’hydrolyse des protéines sont les protéases. Certaines enzymes ont cependant gardé le nom qui leur avait été donné avant la mise au point de cette nomenclature. C’est le cas, par exemple, de la trypsine, de la pepsine ou de la papaïne.

Dans le domaine du génie génétique, les chercheurs utilisent des enzymes spécifiques ne coupant que des séquences d'ADN bien précises. Il s'agit des enzymes de restriction, dont le grand nombre permet, virtuellement, d'extraire n'importe quel fragment d'ADN d'un génome.1. Une enzyme de restriction isole le segment d'ADN humain qui contient le gène intéressant, celui qui commande la production d'insuline, par exemple. 2. Un plasmide, fragment d'ADN extrait d'une bactérie, est mis en contact avec la même enzyme de restriction, et peut alors incorporer le segment d'ADN humain. 3. Le plasmide hybride est incorporé dans la bactérie, où il est dupliqué comme un ADN bactérien normal. 4. De très nombreuses cellules filles peuvent être obtenues par culture. Le gène incorporé permet la production de grandes quantités d'hormone humaine par ces bactéries.

La fermentation alcoolique et d’autres procédés industriels importants dépendent de l’action d’enzymes synthétisées par les levures et les bactéries. Certaines enzymes sont utilisées dans le domaine médical, pour traiter localement des zones d’inflammation, ou pour éliminer les matières étrangères et les tissus morts des blessures et des brûlures.

L’utilisation médicale des enzymes peut être illustrée par les recherches portant sur la L-asparaginase, dont on se sert contre les leucémies. Cette enzyme entraîne une carence en asparagine (un acide aminé), surtout au niveau des cellules cancéreuses (qui se divisent de façon incontrôlée) et hépatiques. L’asparagine faisant alors défaut aux synthèses protéiques nécessaires aux divisions cellulaires, ces dernières se trouvent enrayées. Certaines maladies, comme la phénylcétonurie, l’anémie et d’autres troubles métaboliques, peuvent être liées à des dysfonctionnements enzymatiques, et pourraient alors être traitées par l’apport des enzymes défectueuses.