Structure, spécificité et classification des enzymes

Toutes les grandes voies métaboliques étudiées ce semestre reposent sur des catalyseurs biologiques : les enzymes. Ce chapitre pose leur vocabulaire de base — structure, cofacteurs, spécificité, site actif, classification internationale — un socle que les examens de biochimie approfondie interrogent systématiquement avant d'aborder le métabolisme lui-même.

1. Nature et structure des enzymes

Les enzymes sont des protéines globulaires douées d'activité catalytique spécifique (à l'exception des ribozymes, ARN catalytiques). Comme toute protéine, elles adoptent plusieurs niveaux d'organisation : une structure primaire (séquence d'acides aminés), une structure secondaire (hélices α et feuillets β), une structure tertiaire qui replie la chaîne en une forme globulaire avec les résidus polaires en surface et les résidus hydrophobes enfouis, et pour les enzymes oligomériques une structure quaternaire associant plusieurs sous-unités (monomère si une seule chaîne, oligomère si plusieurs). C'est au cœur de la zone hydrophobe, façonnée par le repliement tertiaire, que se situe le site actif : une enzyme dénaturée par la chaleur ou un pH extrême perd donc son activité en perdant sa conformation.

Certaines enzymes sont actives seules ; d'autres nécessitent un composé non protéique associé, le cofacteur. On distingue l'activateur, un ion métallique (Fe²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺…) qui stabilise le site actif ou participe directement à la catalyse, et le coenzyme, une petite molécule organique souvent dérivée d'une vitamine (NAD⁺ et NADP⁺ dérivés de la vitamine B3, FAD de la vitamine B2, la biotine ou vitamine B8, la thiamine pyrophosphate ou TPP dérivée de la vitamine B1) qui transporte un groupement chimique ou des électrons entre réactions. L'enzyme complète, active, associant apoenzyme (partie protéique) et cofacteur est appelée holoenzyme.

2. Spécificité de substrat et spécificité d'action

Les enzymes sont hautement spécifiques, à un double titre. La spécificité de substrat décrit la sélectivité de l'enzyme pour la molécule qu'elle transforme : elle peut être absolue (un seul substrat, un seul produit — la glucokinase ne phosphoryle que le glucose) ou plus large, portant sur une classe de substrats voisins (l'hexokinase phosphoryle divers hexoses, dont le glucose). La spécificité d'action décrit le fait qu'une enzyme donnée ne catalyse en général qu'un seul type de réaction chimique : les kinases ne catalysent que des phosphorylations dépendantes de l'ATP, les décarboxylases que des décarboxylations, les isomérases que des interconversions d'isomères.

3. Le site actif et la reconnaissance du substrat

Le site actif est une cavité privilégiée de la protéine où s'exerce le pouvoir catalytique. Il comprend un site de liaison (ou de reconnaissance), complémentaire de la forme du substrat, et un site catalytique, où se produit la transformation chimique proprement dite. Deux modèles décrivent cette reconnaissance : le modèle historique clé-serrure de Fischer (1894), où la complémentarité de forme est préexistante et rigide, et le modèle plus réaliste de l'ajustement induit (Koshland, 1958), où la fixation du substrat provoque un changement conformationnel de l'enzyme qui optimise la complémentarité. L'interaction enzyme-substrat mobilise des liaisons non covalentes — liaisons hydrogène, interactions de van der Waals, liaisons ioniques — spontanées et ne nécessitant pas d'apport d'énergie.

Sur le plan énergétique, la catalyse enzymatique consiste à abaisser l'énergie d'activation nécessaire pour que le substrat atteigne l'état de transition, sans modifier les concentrations à l'équilibre ni le bilan thermodynamique de la réaction : une enzyme accélère la vitesse de réaction, jamais son sens. Le site actif stabilise préférentiellement l'état de transition par rapport au substrat libre, ce qui explique l'ampleur de l'accélération catalytique observée (souvent des facteurs de plusieurs millions par rapport à la réaction non catalysée). Certaines protéines existent sous plusieurs formes moléculaires, les isoenzymes, qui catalysent la même réaction mais diffèrent par leur structure primaire, leurs propriétés cinétiques et leur distribution tissulaire, ce qui en fait des marqueurs cliniques utiles (la lactate déshydrogénase, par exemple, existe sous plusieurs isoformes tissulaires).

4. La classification internationale des enzymes

La commission des enzymes de l'Union internationale de biochimie a établi une nomenclature systématique en six classes, désignées par un numéro EC (Enzyme Commission) à quatre chiffres : classe, sous-classe, sous-sous-classe et numéro d'ordre. Le nom usuel associe le plus souvent le substrat et le type de réaction, suivi du suffixe -ase (par exemple créatine kinase pour la créatine phosphotransférase). Les enzymes qui transfèrent un groupement phosphate sont couramment appelées kinases, celles qui l'hydrolysent phosphatases, celles qui hydrolysent des liaisons osidiques en libérant un phosphate phosphorylases.