Transcript File - La biologie BI

Les enzymes
Idée Essentielle: les enzymes contrôlent le
métabolisme de la cellule.
Nature de la science
Le modèle expérimental : dans les expériences sur les enzymes, les mesures
quantitatives précises doivent être répétées pour assurer la fiabilité. (3.2)
Notions-Clés
2.5 N1
Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats
spécifiques viennent se fixer.
2.5 N2
La catalyse enzymatique implique le mouvement
moléculaire et la collision de substrats avec le site actif.
2.5 N3
La température, le pH et la concentration du substrat
affectent le taux d’activité enzymatique.
2.5 N4
Les enzymes peuvent être dénaturées.
2.5 N5
Les enzymes immobilisées sont largement utilisées
dans l’industrie.
Les élèves doivent pouvoir tracer des
graphiques pour montrer les effets attendus de
la température, du pH et de la concentration du
substrat sur l’activité enzymatique. Ils doivent
pouvoir expliquer les patterns ou les tendances
apparaissant sur ces graphiques
Nature de la science
Le modèle expérimental : dans les expériences sur les enzymes, les mesures
quantitatives précises doivent être répétées pour assurer la fiabilité. (3.2)
Compétences et Applications
2.5 A1
Les méthodes de production de lait sans lactose et ses
avantages.
2.5 C1
La conception d’expériences pour tester l’effet de la
température, du pH et de la concentration du substrat
sur l’activité enzymatique.
2.5 C2
L’étude expérimentale d’un facteur affectant l’activité
des enzymes. (Exercice de travaux pratiques 3).
La lactase peut être immobilisée dans des billes
d’alginate et des expériences dans lesquelles le
lactose du lait est hydrolyse peuvent être
réalisées
2.5.N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer.
2.5.U2 La catalyse enzymatique implique le mouvement moléculaire et la collision de substrats avec le site
actif.
Enzyme: Aune protéine
globulaire qui augmente
le taux de réaction
biochimique en
réduisant le seuil
d’énergie d’activation (ex.
un catalyseur biologique)
Utiliser cette animation afin d’en apprendre plus sur les enzymes et comment
elles fonctionnent.
Un autre alternative est How Enzymes Work de McGraw and Hill
http://highered.mheducation.com/sites/0072495855/student_view0/chapter2/animation__how_enzymes_work.html
http://www.northland.cc.mn.us/biology/biology1111/animations/enzyme.swf
2.5.U2 La catalyse enzymatique implique le mouvement moléculaire et la collision de substrats avec le site
actif.
 La rencontre de la molécule du substrat et du site
actif est connu comme une collision
 La majorité des réactions enzymatiques ont lieu
lorsque les substances sont dissoutes dans l’eau
 Toutes les molécules dissoutes dans l’eau sont en
mouvement aléatoire, avec chaque molécule se
déplaçant de façon séparée.
The simulation from KScience
allows you to both see enzyme
kinetics happening and secondly
how it is affected by different
factors
 Si elle n’est pas immobilisée, l’enzyme peut aussi se
déplacer, mais les enzymes ont tendance à être plus
grosses que le substrat alors se déplacent lentement
 Les collisions sont le résultat des mouvements
aléatoires du substrat et de l’enzyme.
 Le substrat peut être à n’importe quel angle lorsqu’il
entre en collision avec l’enzyme
 Les bonnes collisions sont celles dans lesquelles le
substrat et le site actif sont alignés parfaitement pour
permettre la fusion de ceux-ci.
http://www.kscience.co.uk/animations/model.swf
L'enzyme abaisse le niveau d'activation de la réaction
Réaction sans enzyme
Énergie d'activation de
la réaction sans enzyme
Énergie d'activation de
la réaction avec enzyme
Réaction avec enzyme
Énergie dégagée par
la réaction
p. 101
p. 103
Mode d'action d'une enzyme
L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction
Les enzymes peuvent catalyser de une à mille réactions à la seconde.
Substrat(s)
Produit(s)
enzyme
Détail des interactions chimiques au niveau du site actif
d’une enzyme qui catalyse la réaction :
O = CR’- NHR
O = CR’- OH + NH2R
substrat
produits
Notez les interactions chimiques temporaires entre le produit et les
acides aminés du site actif de l’enzyme.
Interactions au niveau du site actif de l’enzyme
glycéraldéhyde-3-déshydrogénase
qui catalyse l’addition d’un groupement phosphate au 3phosphoglycéraldéhyde pour former du
1-3 diphosphoglycérate
2.5.N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer.
2.5.N1 Les enzymes ont un site actif sur lequel des substrats spécifiques viennent se fixer.
2.5.N4 Les enzymes peuvent être dénaturées.
Pour des enzymes un changement de structure implique un changement dans le site
actif. Si le site actif change de forme, le substrat ne peut plus s’y attacher.
Enzyme avant dénaturation
Enzyme après dénaturation
Substrat peut se lier au site actif
Substrat ne peut plus se lier au site actif
http://www.biotopics.co.uk/other/enzyme.html
2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique.
La température, le pH et la concentration du substrat peuvent tous avoir un impact
sur l’activité enzymatique.
Ci-dessus trois graphiques qui démontre comment un facteur peut affecter l’activité
enzymatique.
Votre objectif n’est pas de seulement recréer les graphiques mais de les annoter et
d’expliquer leur forme en considérant ce qui se passe au niveau moléculaire.
2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique
 Températures faibles résultent en énergie
thermique insuffisante pour l’activation
d’une réaction catalysée par une enzyme.
 L’augmentation de la température cause
l’augmentation de la vitesse et du
mouvement de l’enzyme et du substrat,
résultant en une activité enzymatique
accrue
 Ceci est puisque une augmentation de
l’énergie cinétique élevée cause plus de
collision entre l’enzyme et le substrat.
 À une température optimale (varie chez
les enzymes), le taux d’activité
enzymatique sera à son maximum
 De hautes températures causeront la
diminution de la stabilité de l’enzyme,
puisque l’énergie thermique dérange les
liaisons hydrogène maintenant l’enzyme
ensemble
 Ceci causera la déformation de l’enzyme
et de son site actif, donc perte d’activité
enzymatique
2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique
 Changer le pH altèrera la charge de l’enzyme, ce qui
changera la solubilité de la protéine qui pourrait
causer un changement de forme de la molécule
 Le changement de forme ou du site actif diminuera
son habileté à se fixer au substrat, arrêtant ainsi la
fonction enzymatique
 Les enzymes ont un pH optimum et se déplacer à
l’extérieur de celui-ci causera une réduction de
l’activité
 Différentes enzymes ont des pH optimum différents
2.5.N3 La température, le pH et la concentration du substrat affectent le taux d’activité enzymatique
LE MÉTABOLISME
Le produit d’une première réaction chimique est souvent
le substrat d’une autre réaction chimique. Les réactions
chimiques qui se déroulent successivement forment une
voie métabolique.
Voie métabolique principale
A
B
C
D
Voie métabolique
secondaire
H
Chaque étape est catalysée par une enzyme
E
Exemple d’une voie métabolique : la
glycolyse, première étape de la
respiration cellulaire.
Au cours de la glycolyse, une
molécule de glucose est
transformée en deux
molécules de pyruvate.
Chacune des 9 étapes est
catalysée par une enzyme
spécifique.
Les enzymes d’une chaîne métabolique peuvent être intégrées dans la
membrane de la cellule ou d’un organite de la cellule. Le produit d'une
enzyme est immédiatement disponible à l'enzyme suivante qui doit le
transformer.
Plusieurs enzymes d’une même voie métabolique
peuvent aussi s’associer en un complexe
enzymatique.
Ex. : complexe pyruvate déhydrogénase
Le complexe pyruvate déhydrogénase est formé de 60 enzymes qui représentent
trois enzymes différentes. Le produit de la réaction d’une enzyme est
immédiatement accessible à l’enzyme suivante sans que le produit ne se dilue dans
le liquide intracellulaire.
Ex. les premières étapes de la respiration cellulaire :
p. 170, 171, 173 et177
Chaque étape est
catalysée par une enzyme
spécifique.
Réactions illustrées aux
pages 170-171
Quelques centaines des
milliers de réactions qui se
déroulent dans la cellule
L'enzyme ne peut fonctionner que si elle possède une
forme parfaitement adaptée à la ou aux molécules qu'elle
catalyse.
Les enzymes peuvent se déformer = dénaturation de
l'enzyme
Enzymes sensibles:
• aux températures élevées
• au pH trop élevé ou trop faible
• concentration élevée d’électrolytes (sels)
p. 103-104
Les enzymes peuvent servir à assembler de petites molécules en
plus grosses = anabolisme
OU
à défaire de grosses molécules en plus petites = catabolisme
OU
à modifier des molécules en d'autres molécules semblables
(changer un glucose en fructose, par exemple)
Une enzyme donnée ne peut catalyser qu'une réaction bien
précise. Il y a donc autant d'enzymes différentes que de
réactions différentes.
p. 104
Cofacteur et coenzyme
Cofacteur = petite molécule se fixant sur le site actif. Sans le cofacteur, le site
actif est inactif.
Beaucoup de cofacteurs sont des ions métalliques (Cu, Zn, Mn, etc.)
Certains sont de petites molécules organique (par rapport à la taille de
l’enzyme); on les appelle alors coenzymes.
Beaucoup de vitamines sont des coenzymes (ou sont des précurseurs de
coenzymes)
INHIBITION ENZYMATIQUE
Certaines substances chimiques peuvent inhiber le
fonctionnement d’une enzyme = inhibiteurs enzymatiques
L’inhibiteur agit en se liant chimiquement à l’enzyme. La liaison de l’inhibiteur avec
l’enzyme empêche l’enzyme de fonctionner. L’inhibiteur peut se fixer dans le site
actif ou ailleurs sur l’enzyme.
Un inhibiteur enzymatique peut être :
• Irréversible : la liaison de l’inhibiteur avec l’enzyme est
irréversible; l’enzyme ne peut plus fonctionner.
• Réversible : la liaison de l’inhibiteur avec l’enzyme est
réversible; si la concentration en inhibiteur diminue,
l’inhibiteur peut se séparer de l’enzyme à laquelle il
s’était lié.
Un inhibiteur réversible peut être
compétitif ou non compétitif :
• Un inhibiteur compétitif ressemble
chimiquement au substrat et entre en
compétition avec lui pour se fixer au site
actif. L’inhibiteur compétitif diminue donc
le rendement de l’enzyme.
Inhibiteur
compétitif
• Un inhibiteur non compétitif se lie à
l’enzyme et altère la conformation de
l’enzyme de sorte que le substrat ne peut
plus se lier ou se lie moins bien au site actif.
La réaction catalysée est arrêtée ou ralentie.
p. 104
Inhibiteur non compétitif
Beaucoup d’antibiotiques sont des inhibiteurs de certaines
enzymes bactériennes.
La pénicilline est un inhibiteur irréversible d’une enzyme (la
transpeptidase) essentielle à la fabrication de la paroi de certaines
bactéries (les bactéries sont recouvertes d’une paroi rigide faite de
polymères).
Pourquoi cet antibiotique est-il sans conséquence pour les cellules du
patient alors qu’il est mortel pour les bactéries?
L’Aspirine (acide acétylsalycilique) est un inhibiteur
irréversible de la cyclooxygénase une enzyme nécessaire à
la production d’une hormone responsable de
l’inflammation.
Le Viagra™ est un médicament qui avait été développé pour
traiter les cardiaques. Il a pour effet de faciliter la dilatation
des artères. C’est un inhibiteur compétitif de l’enzyme
phosphodiestérase, laquelle enzyme sert à détruire le GMP
cyclique, une substance de la paroi des artères essentielle
dans le mécanisme de la dilatation.
Voir : The search for Viagra
Le cyanure est un inhibiteur irréversible d'une
enzyme appelée cytochrome oxydase. Cette enzyme
est essentielle à l'une des dernières étapes de la
respiration cellulaire. Sans elle, la respiration cesse,
c'est la mort.
Le Zyclon-B de triste mémoire pour son utilisation
dans les camps de la mort nazis était constitué de
granules poreux imbibés d'acide cyanhydrique
(HCN).
Les statines comme l'atorvastatine
(Lipitor® ) ou la lovastatine (Mevacor®)
sont des médicaments utilisés pour
abaisser le taux de cholestérol sanguin
chez les patients qui ont un taux élevé de
cholestérol.
Ce sont des inhibiteurs compétitifs de la
HMG-CoA réductase, une enzyme qui
joue un rôle capital dans la synthèse du
cholestérol dans le foie.
LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES
La régulation allostérique
p. 105
Un activateur
allostérique
stabilise la
forme active
Un inhibiteur
allostérique
stabilise la
forme inactive
LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES
La rétro-inhibition
p. 106
Voie métabolique
A
X
E1
B
C
E2
La molécule E est un
inhibiteur allostérique de
l’enzyme E1
D
E3
E
E4
2.5.N5 Les enzymes immobilisées sont largement utilisées dans l’industrie.
Common uses of enzymes in industry
include:
Enzymes are widely used in the food industry, e.g.
Detergents contain proteases
and lipases to help breakdown
protein and fat stains
Enzymes are used to breakdown
the starch in grains into biofuels
that can be combusted
• fruit juice, pectin to increase the juice yield from
fruit
• Fructose is used as a sweetener, it is converted
from glucose by isomerase
• Rennin is used to help in cheese production
In the textiles industry enzymes help in the
processing of fibres, e.g. polishing cloth to make
it appear more shiny
Paper production uses enzymes
to helping in the pulping of
wood
In the brewing industry enzymes help a
number of processes including the
clarification of the beer
In Medicine & Biotechnology enzymes are
widely used in everything from diagnostic
tests tests to contact lens cleaners to cutting
DNA in genetic engineering.
http://pubs.rsc.org/services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2013/CS/c3cs35506c/c3cs35506c-
2.5.N5 Les enzymes immobilisées sont largement utilisées dans l’industrie.
Advantages of enzyme immobilization:
• Concentration of substrate can be increased as the enzyme is not dissolved –
this increases the rate of reaction
• Recycled enzymes can be used many times, immobilized enzymes are easy
to separate from the reaction mixture, resulting in a cost saving.
• o
• Separation of the products is straight forward (this also means that the the
reaction can stopped at the correct time).
• Stability of the enzyme to changes in temperature and pH is increased
reducing the rate of degradation, again resulting in a cost saving.
Enzymes used in industry are usually
immobilized. They are attached to a
material so that their movement is
restricted. Common ways of doing this are:
• Aggregations of enzymes bonded
together
• Attached to surfaces, e.g. glass
• Entrapped in gels, e.g. alginate gel beads
http://pubs.rsc.org/services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2013/CS/c3cs35506c/c3cs35506c-
2.5.A1 les méthodes de production de lait sans lactose et ses avantages
2.5.A1 les méthodes de production de lait sans lactose et ses avantages
Production of Lactose-free milk
• Lactase obtained from commonly from yeast
(bacteria is an alternative)
• Lactase is bound to the surface of alginate
beads
• Milk is passed (repeatedly) over the beads
• The lactose is broken down into glucose and
galactose
• The immobilized enzyme remains to be used
again and does not affect the quality of the
lactose free milk
Other uses of lactose free milk:
• As a means to increase the sweetness of milk (glucose
and galactose are sweeter in flavour), thus negating the
need for artificial sweeteners
• As a way of reducing the crystallisation of ice-creams
(glucose and galactose are more soluble than lactose)
• As a means of shortening the production time for yogurts
or cheese (bacteria ferment glucose and galactose more
readily than lactose)
2.5.C1 la conception d’expériences pour tester l’effet de la température, du pH et de la concentration du
substrat sur l’activité enzymatique..
2.5.C2 l’étude expérimentale d’un facteur affectant l’activité des enzymes. (Exercice de travaux pratiques 3).
Catalase is one of the most widespread enzymes. It
catalyses the conversion of hydrogen peroxide, a toxic byproduct of metabolism, into water and oxygen.
H2O2
Catalase
H2O
+
O2
Possible research questions, what are you going to investigate (independent
variable)?
• What is the effect of substrate concentration?
• What is the effect of temperature?
• What is the effect of pH?
• Which type of yeast has a higher concentration of catalase?
Important things to consider:
• How are you going to vary the mass/volume/concentration of your variable?
• What units will you be measuring your variable in?
• Have you chosen an effect range or values to answer your question?
• Are the concentrations/chemicals you are using safe to handle?
http://www.scienceexperimentsforkids.us/wp-content/uploads/2011/08/hydrogen-experiments-for-kids-3-
2.5.S1 Design of experiments to test the effect of temperature, pH and substrate concentration on the
activity of enzymes.
2.5.S2 Experimental investigation of a factor affecting enzyme activity. (Practical 3)
How are you going to measure your results (dependent variable)?
• Are you measuring the increase of a product or the dissapearance of a
substrate?
• Are you measuring directly (e.g. testing for the concentration of the product) or
indirectly (change in pH)?
• What equipment will you be using to measure your results?
• What are the units and uncertainty given both the equipment and how you
choose to use it?
• What time period do you need to run the experiment for? How fast is the
enzyme action likely to be?
• How many repeats will you need to make sure your results are reliable?
http://www.scienceexperimentsforkids.us/wp-content/uploads/2011/08/hydrogen-experiments-for-kids-3-
2.5.S1 Design of experiments to test the effect of temperature, pH and substrate concentration on the
activity of enzymes.
2.5.S2 Experimental investigation of a factor affecting enzyme activity. (Practical 3)
How are you going to make sure it is a fair test (control variables)?
• What variables other than your independent variable could affect the results?
• Why would these variables affect the results?
• How will you ensure each is kept constant and monitored?
• What level should they be kept constant at? If a control variable is too far from it’s
optimum then it could limit the enzyme action and no change would be seen in
the results.
• If a variable cannot be controlled it should still be discussed and considered as an
uncontrolled variable.
Safety and ethics:
• Are you using any equipment that may cause you or others harm? What steps have you taken
to minimize this risk?
• If you intend to use animals have you first considered alternative subjects?
• If you still intend to use animals are subjects have you ensured both:
o no harm comes to them as a result of the experiment
o The experiment does not induce stress or conditions beyond that normally found in
their natural environment
http://www.scienceexperimentsforkids.us/wp-content/uploads/2011/08/hydrogen-experiments-for-kids-3-
Acknowledgments
Jason de Nys
Tiré de: Gilles Bourbonnais / Cégep de Sainte-Foy
FIN