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CHAPITRE 7 : LES AGENTS DE LA CATALYSE : LES ENZYMES

Sur un substrat donné, une enzyme ne catalyse qu'un seul type de réaction ... L' activité enzymatique ou cinétique enzymatique s'évalue par la quantité de produit .... de la glycémie) représentent une vingtaine de litres chez un sujet de 70 kg, ...




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2.3.3 – Des conditions de pH spécifiques.
Les expériences de digestion in vitro réalisées sur l’amidon en présence de l’amylase salivaire et sur l’ovalbumine en présence de la pepsine gastrique et de la trypsine pancréatique révèlent que chaque enzyme a une activité optimale dans des conditions de pH bien précises.
L’amylase salivaire est active en milieu neutre (pH = 7) ; la pepsine gastrique en milieu acide (pH inférieur à 7) et la trypsine en milieu légèrement basique (pH légèrement supérieur à 7).
Plus généralement, chaque enzyme possède un pH optimum d’activité.


TRAVAIL DEMANDE : Décrire les effets du pH sur l’activité de chaque enzyme.

2.3.4 – Une spécificité de substrat.
Le substrat est la molécule dont l’enzyme catalyse la transformation. Une enzyme donnée ne peut agir que sur un seul substrat.
Le nom de l’enzyme indique la nature du substrat le plus souvent :

EnzymeSubstratAmylase
Lipase
Maltase
Lactase
ribonucléase
…Amidon
Lipide
Maltose
Lactose
Acide ribonucléique
…
Remarque : Sur un substrat donné, plusieurs enzymes peuvent agir ; mais chacune d’elles agit sur une partie différente de ce substrat. C’est le cas de la trypsine et de la pepsine qui agissent toutes les deux sur l’albumine.

2.3.5 – Une spécificité d’action.
Sur un substrat donné, une enzyme ne catalyse qu’un seul type de réaction chimique : ainsi, une enzyme digestive ne peut catalyser qu’une hydrolyse. D’autres enzymes catalysent les oxydations.
Lorsqu’une réaction catalysée est réversible (équilibre chimique), la même enzyme peut catalyser la réaction dans les deux sens.
EnzymeActionHydrolases
Déshydrogénases
Oxydoréductases
Polymérases
…Hydrolyse
Déshydrogénation
Oxydoréduction
Polymérisation
…
3 – RELATION ENTRE STRUCTURE ET FONCTION DE LA PROTEINE ENZYME.
3.1- NOTION DE SITE ACTIF.
Les enzymes sont des macromolécules protéiques dont la forme est généralement globulaire. Une enzyme montre sous un certain angle une zone en forme de poche ou de sillon : c’est le site actif.
Le site actif est le domaine d’une enzyme qui se lie au substrat. La comparaison de ce site avec d’autres régions du substrat montre une étroite complémentarité telle une serrure et sa clé. La complémentarité entre le site actif de l’enzyme et une région très précise de son substrat explique la spécificité enzymatique.
Le site actif présente deux zones bien définies :
le site de fixation qui reconnaît le substrat avec lequel il présente des affinités ;
le site catalytique constitué d’acides aminés capables d’interagir avec le substrat.

3.2 – LA CINETIQUE ENZYMATIQUE.
L’activité enzymatique ou cinétique enzymatique s’évalue par la quantité de produit formé (ou quantité de substrat transformé) par unité de temps.
La vitesse de la réaction enzymatique :
est proportionnelle à la concentration de l’enzyme ;
varie avec le temps pour une concentration initiale de substrat donné ;
augmente avec la concentration initiale du substrat jusqu’à un palier pour lequel la vitesse de la réaction atteint son maximum. L’existence de ce palier s’explique par le fait que l’enzyme se lie à son substrat, formant un complexe enzyme – substrat. Pour une enzyme donnée, la vitesse initiale maximale est atteinte si toutes les molécules d’enzymes sont combinées à des molécules de substrat : on dit que l’enzyme est « saturée ».

3.3 – NOTION DE COMPLEXE ENZYME – SUBSTRAT.
La fonction de l’enzyme est liée à sa structure : la complémentarité entre le site actif et une région spécifique du substrat permet la formation d’un ensemble indispensable à la catalyse de la réaction, ensemble appelé complexe enzyme – substrat.
Ce complexe se dissocie dès que la réaction a lieu, libérant ainsi l’enzyme pour une nouvelle fixation. Plus ce complexe est stable, moins la réaction est rapide :



Figure : Formation d’un complexe enzyme – substrat dissociable et spécifique.

CONCLUSION
Toutes les réactions chimiques qui se produisent dans les cellules vivantes sont catalysées par des enzymes. L’équipement enzymatique d’une cellule conditionne les réactions qui s’y produisent.
Les enzymes sont des biocatalyseurs qui agissent dans certaines limites de température et de pH.
Elles sont spécifiques d’un substrat qu’elles transforment et d’un seul type de réaction.
La fonction de l’enzyme est liée à sa structure : la complémentarité entre le site actif et une zone spécifique du substrat permet la formation du complexe enzyme – substrat, étape indispensable à la catalyse de la réaction.

QUELQUES ASPECTS DU METABOLISME ENERGETIQUE
CHEZ L’HOMME.

OBJECTIFS
Les besoins des cellules étant permanents, comment sont-ils assurés alors que l’apport des repas est discontinu ?
Plus particulièrement dans le cas d’activités sportives soutenues, comment les muscles font-ils face aux intenses besoins d’énergie ?

1 – LES METABOLITES CELLULAIRES.
– ORIGINE.
Les cellules tirent leur énergie des aliments. Après la digestion, les nutriments sont pris en charge par le milieu intérieur (sang et lymphe). Bien que les aliments soient diversifiés, les métabolites qui en résultent appartiennent à un petit nombre de catégories.

1.2 – NATURE.
Les métabolites dont l’énergie peut être transférée à l’ATP sont variés. Leur composition dans le sang est donnée par le tableau suivant :
Composition du sang en métabolites (en g.l-1)Glucose
Acides gras libres
Acides aminés
Triglycérides0.8 à 1
0.2
0.3
1L’utilisation des métabolites est très diversifiée selon le type de cellules. En fonction de leur équipement enzymatique, chaque cellule est spécialisée dans l’utilisation de tel ou tel autre métabolite.
Cependant, le glucose est utilisé par toutes les cellules et certaines cellules dites glucodépendantes comme les hématies et les neurones l’utilisent de façon exclusive.


Figure : Consommation de différents métabolites chez un homme au cours de 24 heures de jeune.

1.3 – MISE EN EVIDENCE DU STOCKAGE DES METABOLITES.
Le faible taux des métabolites dans le sang contraste avec leur utilisation permanente. La glycémie (taux sanguin de glucose) par exemple a une valeur moyenne comprise entre 0.8 et 1 g/l dans les conditions normales. Cette valeur est relativement stable malgré les apports alimentaires discontinus et une consommation qui varie beaucoup en fonction de l’activité physique.
Les apports alimentaires étant irréguliers, une mise en réserve des métabolites est nécessaire dans les organes qui pourront les restituer au fur et à mesure des besoins.

1.3.1 – Les lipides.
Ils constituent la réserve énergétique la plus importante (6 à 15 g chez l’adulte). Le stockage est réalisé dans les tissus adipeux sous forme de triglycérides.

1.3.2 – Les glucides.
 On injecte 35 g de glucose radioactif par perfusion lente (0.5 g par minute) chez un homme adulte. Deux heures après, des analyses permettent de localiser ce glucose dans l’organisme. Les résultats obtenus sont les suivants :
Sang et lympheGlucose retenu dansGlucose consomméFoieMusclesTissus adipeux218.56.544 Au cours des deux heures, une quantité de glucose estimée à 4 g a été oxydée par les processus respiratoires et fermentatifs. Une grande quantité de glucose est stockée sous la forme de glycogène dans le foie (réserve totale estimée à 100 g environ) et dans les muscles (réserve totale estimée à 300 g environ).
NB : Le tableau précédent nous montre aussi que les glucides sont convertibles en lipides.

1.3.3 – Les protéines des muscles.
Elles constituent une réserve utilisée en cas de jeûne prolongé d’où la fonte musculaire observée.
La figure ci-dessous présente l’état des réserves énergétiques d’un homme de 70 kg :



TRAVAIL DEMANDE : sachant que le sang et les liquides intercellulaires (dans lesquels le taux de glucose est voisin de la glycémie) représentent une vingtaine de litres chez un sujet de 70 kg, évaluer la réserve totale de glucose libre dans les liquides de l’organisme. Comparer la valeur obtenue à celle du glucose utilisé quotidiennement par les cellules (figure de la page 1). Quel est le problème posé ?

2- LA FONCTION REGULATRICE DU FOIE DANS LE METABOLISME DU GLUCOSE.
2.1- EXPERIENCE D’ABLATION DU FOIE CHEZ LE CHIEN.

Un chien ayant subi une hépatectomie (ablation ou suppression du foie) ne survit que quelques heures. Parmi les troubles qui précèdent la mort, on note que l’animal tombe dans le coma : c’est la conséquence d’une souffrance des neurones qui ne sont plus suffisamment alimentés en glucose (aliment exclusif des cellules nerveuses) car la glycémie « s’effondre » (hypoglycémie).
Si on perfuse du glucose, l’animal sort du coma en quelques minutes, le pouls et la respiration redeviennent normaux.
NB : Le rétablissement après perfusion du glucose n’est que temporaire car le foie assure de nombreuses autres fonctions vitales.


2.2 – EXPERIENCE DU « FOIE LAVE » (CLAUDE BERNARD, 1855).



Figure : Système d’irrigation du foie.


2.3 – DOSAGES DE LA GLYCEMIE DANS LES VEINES PORTE ET SUS-HEPATIQUE.
Les dosages de la glycémie à l’entrée et à la sortie du foie donnent les résultats suivants :

Glycémie (en g.l-1)Dans la veine porte hépatiqueDans la veine sus-hépatiqueAprès une période de jeûne de quelques h. 0.80.95 à1.05Après un repas 2.5 ou plus1 à 1.2TRAVAIL DEMANDE : comparer les glycémies à l’entrée et à la sortie du foie après une période de jeûne et après un repas. Emettre des hypothèses pour expliquer les différences constatées.

2.4 – CONCLUSION.
Le foie reçoit par la veine porte issue de l’intestin du sang et recueille les nutriments provenant de l’absorption intestinale.
 1 – Les expériences de Claude Bernard et les dosages sanguins montrent que lorsque la glycémie dépasse la valeur moyenne (état d hyperglycémie), le foie stocke du glucose sous forme de glycogène. Cette polymérisation des petites molécules de glucose en macromolécules de glycogène est appelée glycogénogenèse.
nC6H12O6 ’! (C6H10O5) n + nH2O
glucose glycogène eau
2 - Lorsque la glycémie est en dessous de la valeur moyenne, le foie libère le glucose dans le sang en hydrolysant son glycogène. Cette hydrolyse du glycogène est appelée glycogénolyse.
(C6H10O5) n + nH2O ’! nC6H12O6
glycogène eau glucose
Une enzyme est indispensable pour cette hydrolyse : c’est la glucose phosphatase que le foie est seul à produire.
3 – En cas de jeûne, les réserves glucidiques sont insuffisantes pour faire face aux besoins. Le foie réalise alors la néoglucogenèse c'est-à-dire la synthèse du glucose à partir des substances non glucidiques (acides gras et glycérol issus de la lipolyse, acides aminés issus des protéines musculaires, acide lactique issu des hématies ou des muscles). Ces différentes origines du glucose sont résumées dans la figure suivante :

TRAVAIL DEMANDE : Définir la néoglucogenèse à partir des données de cette figure.

– LES TROIS VOIES DE REGENERATION DE L’ATP.
Les activités sportives sont classées, selon la durée de l’effort demandé, en trois groupes :
Le premier groupe comprend les sports à exercices « explosifs » (saut, lancer, …), à exercices continus de courte durée (sprints courts) et à exercices intermittents de durée inférieure à 20 secondes (volley-ball, tennis,…) ;
Le deuxième groupe comprend les sports à exercices continus de durée intermédiaire (400 m, 800m,…) et à exercices intermittents de durée supérieure à 20 secondes (boxe, lutte, …) ;
Le troisième groupe comprend les sports à exercices continus de longue durée (marathon, 1500 m nage, …).
Le problème de la restauration de l’ATP se pose différemment selon la durée de l’exercice musculaire effectué.

3.1 – REGENERATION DE L’ATP AU COURS DES EXERCICES BREFS ET VIOLENTS : VOIE ANAEROBIE ALACTIQUE.
Les exercices brefs et violents demandent puissance et rapidité d’exécution. Le métabolisme anaérobie alactique permet une restauration immédiate de l’ATP.
En effet, lors des contractions très brèves (de l’ordre de quelques secondes), le taux d’ATP reste constant. Il existe donc un processus immédiat de recyclage de l’ATP. Il ne nécessite pas de dioxygène et se réalise sans formation d’acide lactique.
Cette voie met en jeu deux réactions :
une molécule phosphatée énergétique, la phosphocréatine (ou acide créatine-phosphate ou phosphatine ou phosphagène) se dégrade grâce à une enzyme, la créatine kinase en libérant une énergie supérieure à celle de l hydrolyse de l ATP.
Phosphatine ’! créatine + phosphate inorganique + 43 kJ (à 25 °C) ;
couplée à cette 1ère réaction, la seconde permet de restaurer l ATP à partir de l’ADP, du Pi et de l’énergie. La réaction est catalysée par l’ATP synthétase.

NB : Dans le muscle, les réserves de phosphocréatine sont très limitées. Elles sont reconstituées en utilisant l’ATP pendant la phase de récupération qui suit la contraction musculaire.

3.2 – REGENERATION DE L’ATP AU COURS DES EXERCICES PHYSIQUES PROLONGES.

3.2.1- Voie anaérobie lactique.
La régénération de l’ATP par la voie anaérobie lactique a lieu au cours des efforts de durée plus longue (supérieure à 20 secondes). Il s’agit essentiellement de la glycolyse. Ce processus comporte plusieurs étapes :
hydrolyse du glycogène musculaire en glucose ;
glycolyse du glucose produisant 2 ATP ;
production de l’acide lactique à partir de l’acide pyruvique.
Cette voie est limitée dans le temps car l’acide lactique qui s’accumule acidifie (abaisse le pH) le muscle et inactive les enzymes. Le sang entraîne cet acide vers le foie où il sert de substrat à la néoglucogenèse ou à des oxydations respiratoires.

3.2.2 – Voie aérobie.
Elle a lieu lorsque la contraction musculaire dure très longtemps. L’organisme augmente l’oxygénation des muscles (le débit sanguin augmente) et par conséquent les débits respiratoires et cardiaques augmentent aussi. Les oxydations respiratoires dans les mitochondries se mettent en route (ce sont donc le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire).
Les métabolites utilisés sont d’abord ceux des réserves musculaires (acide pyruvique issu de la glycolyse et acides gras) ; les métabolites sanguins ensuite (glucose, acides gras), mobilisés à partir du foie et des tissus adipeux.
NB : On peut à juste titre qualifier ces trois voies de rapide, moyenne et lente respectivement.

3.3 – PHASE DE RECUPERATION.
A la fin de la contraction, quelle que soit la voie métabolique mise en jeu, la consommation d’O2 ne baisse que lentement. Les réserves de phosphocréatine se reconstituent grâce à l’énergie fournie par l’ATP du métabolisme aérobie.
La différence entre le besoin théorique en dioxygène et la consommation réelle est appelée dette en dioxygène. La signification de cette dette est que le muscle est sous alimenté en dioxygène au début de l’effort physique. Il contracte alors une dette « énergétique ». La phase de récupération consiste donc en réalité en un remboursement de cette dette en dioxygène.


4- LA CONVERSION DE L’ENERGIE CHIMIQUE STOCKEE DANS L’ATP EN ENERGIE MECANIQUE : LA CONTRACTION DE LA FIBRE MUSCULAIRE.

4.1- OBSERVATION D’UN MUSCLE AU REPOS ET CONTRACTE.


4.2 – OBSERVATION DE LA STRUCTURE D’UN MUSCLE.
Un muscle squelettique est constitué par un ensemble de fibres musculaires (cellules musculaires) hautement spécialisées : chacune d’elles est une cellule géante (1 – 5 cm de long, 10 – 100 µm de diamètre), contenant plusieurs noyaux (c’est un syncytium) et un très grand nombre de fibrilles musculaires ou myofibrilles capables de modifier leur longueur.
NB : Au fort grossissement du microscope électronique, on peut distinguer deux types de fibres musculaires :
les unes se caractérisent par la présence de nombreuses mitochondries entre les myofibrilles. Ce sont les fibres lentes ou fibres de type I, spécialisées dans le métabolisme aérobie ;
les autres se caractérisent par l’absence des mitochondries. Ce sont les fibres rapides ou fibres de type II, spécialisées dans le métabolisme anaérobie.

4.3 – OBSERVATION ET COMPARAISON D’UNE FIBRE MUSCULAIRE AU REPOS ET D’UNE FIBRE MUSCULAIRE CONTRACTEE.

Au microscope électronique, une fibre musculaire apparaît formée de deux types de filaments musculaires ou myofilaments :
les myofilaments épais formés de myosine : c’est une protéine complexe portant à l’une de ses extrémités un renflement ou tête ;
les myofilaments fins formés de trois types de protéines dont la plus abondante est l’actine : c’est une protéine globulaire pouvant se polymériser en longs filaments.

4.3.1 – Mécanisme de la contraction.
Le raccourcissement du muscle est le résultat des mouvements des myofilaments d’actine et de myosine les uns par rapport aux autres, sans toutefois changer de longueur. Leur observation au microscope électronique montre l’allure suivante (Voir électronographies des sarcomères au repos et en contraction de la page 8).
TRAVAIL DEMANDE : Comparer les deux états.
Le glissement des myofilaments est provoqué par la formation des ponts d’union entre myosines et actines (ponts d’actomyosines), suivie d’un pivotement des têtes de myosines. La rupture des ponts d’actomyosines met fin à la contraction.


Figure : Mécanisme de la contraction d’une fibre musculaire.

4.3.2 – Rôle de l’ATP et des ions calcium dans la contraction.
Observations.
Le réticulum lisse (réticulum sarcoplasmique) qui entoure les myofibrilles libère les ions calcium qu’il renferme lors de la contraction.
Parallèlement, on a évalué que lors d’un exercice musculaire de forte intensité, la vitesse de consommation de l’ATP peut atteindre 0.5 kg.min-1.
On peut donc penser que l’ATP et les ions calcium jouent un rôle dans la contraction.

Expériences.
Les myofibrilles isolées et placées dans certaines conditions gardent la possibilité de se contracter c'est-à-dire d’accroître leur tension. Cette tension est mesurable.
Le graphe suivant montre l’évolution de la tension des myofibrilles après introduction dans le milieu de l’ATP seul, de l’ATP + Ca2+ et du salyrgan (poison qui bloque l’hydrolyse de l’ATP).


TRAVAIL DEMANDE : Interpréter les résultats obtenus.

Conclusions.
la contraction musculaire est impossible sans les ions calcium. Ces ions rendent disponibles les sites de fixation se trouvant sur l’actine pour recevoir les têtes de myosines.
Sans ATP, pas de contraction musculaire : en effet, l’hydrolyse de l’ATP fournit l’énergie permettant le pivotement des têtes de myosine au début, et leur séparation à la fin de la contraction. La réaction se déroule grâce à l’activité ATPasique de la myosine.

La chaleur initiale produite au cours de la contraction est due à l’énergie libérée lors du transfert d’un groupement phosphate de la créatine phosphate à l’ADP qui devient l’ATP (voir régénération de l’ATP lors des efforts de courte durée).


La chaleur retardée dégagée après la contraction est due à la régénération des molécules phosphatées par la respiration cellulaire (voir phase de récupération).

Remarque : les fibres de type II ne dégagent pas de chaleur retardée. Elles privilégient les voies métaboliques anaérobiques.

CONCLUSION GENERALE
Le fonctionnement des cellules en général et de la fibre musculaire en particulier exige un apport d’énergie sous forme d’ATP. Leurs réserves étant faibles, la restauration doit être rapidement assurée. Pour cela, trois voies métaboliques coexistent dans le muscle : anaérobie alactique, anaérobie lactique et aérobie.
La voie métabolique mise en route diffère selon la durée de l’effort physique.
Dans le muscle, l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP permet le glissement des myofilaments à l’origine de la contraction : il y a donc conversion de l’énergie chimique en énergie mécanique.












Réalisé par M. DJABO Cédric



Claude Bernard a sacrifié un chien bien nourri et a enlevé son foie. Cet organe a été immédiatement soumis à un lavage continu pendant environ 40 minutes en faisant passer un courant d’eau la veine porte hépatique (voir figure ci-contre).

Au début, l’eau colorée qui jaillissait par les veines sus-hépatiques était sucrée ; mais en fin d’expérience, l’eau parfaitement incolore qui ressortait, ne renfermait plus aucune trace de sucre.
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