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6 : Activité enzymatique et régulation des protéines - Biologie

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6 : Activité enzymatique et régulation des protéines

Enzymes régulatrices

Les enzymes régulatrices, qui facilitent le transfert des groupes phosphate vers les substrats spécifiques, sont appelées kinases. Les protéines kinases sont les nombreux groupes de kinases qui interviennent dans la régulation de la fonction cellulaire et d'autres modifications. Chez les procaryotes et les eucaryotes, plusieurs protéines kinases exercent un contrôle spécifique et réversible sur la phosphorylation des protéines. Les protéines kinases sont classées à la fois par le type d'acide aminé qu'elles phosphorylent dans la protéine cible et par leur localisation dans la cellule. Biochimiquement, la phosphorylation distingue cinq groupes différents, à savoir l'histidine, la sérine, la thréonine ou la tyrosine, et les kinases à double spécificité. La majorité des kinases eucaryotes sont des protéines kinases spécifiques à la sérine/thréonine. Les protéines kinases spécifiques de la tyrosine sont utilisées dans les processus de transduction du signal chez les eucaryotes et un faible niveau d'activité est détectable chez la levure. Les protéines kinases sont établies dans le cytosol et dans la membrane plasmique. Les protéines kinases Ser/Thr et les kinases à double spécificité sont le plus souvent cytosoliques. La plupart des tyrosine kinases se trouvent sur la membrane plasmique. Les protéines kinases ont des effets profonds sur une cellule avec une activité hautement régulée en activant et en désactivant et en liant des protéines avec un avantage comme stratégie de régulation. La régulation des protéines kinases est omniprésente dans le développement, la physiologie et le métabolisme des eucaryotes et la dérégulation est une cause fréquente de maladie, en particulier de cancer.


Résumé

Des chaînes multi-ubiquitine d'au moins quatre sous-unités de long sont nécessaires pour une reconnaissance et une dégradation efficaces des protéines ubiquitylées par le protéasome, mais d'autres fonctions de l'ubiquitine ont été découvertes qui n'impliquent pas le protéasome. Certaines protéines sont modifiées par une seule ubiquitine ou de courtes chaînes d'ubiquitine. Au lieu d'envoyer des protéines à leur mort par le protéasome, la monoubiquitylation régule des processus qui vont du transport membranaire à la régulation transcriptionnelle.


Contenu

Les CDK6 gène est conservé chez les eucaryotes, y compris la levure bourgeonnante et le nématode Caenorhabditis elegans. [11] Le CDK6 Le gène est situé sur le chromosome 7 chez l'homme. Le gène s'étend sur 231 706 paires de bases et code pour une protéine de 326 acides aminés avec une fonction kinase. [6] Le gène est surexprimé dans les cancers comme le lymphome, la leucémie, le médulloblastome et le mélanome associés à des réarrangements chromosomiques. [6] La protéine CDK6 contient un noyau catalytique composé d'un domaine sérine/thréonine. [12] Cette protéine contient également une poche de liaison à l'ATP, des sites de phosphorylation inhibiteurs et activants, un domaine de liaison à la cycline de type PSTAIRE et un motif de boucle T d'activation. [10] Après avoir lié la cycline dans l'hélice PSTAIRE, la protéine modifie sa structure conformationnelle pour exposer le motif de phosphorylation. [10] La protéine peut être trouvée dans le cytoplasme et le noyau, cependant la plupart des complexes actifs se trouvent dans le noyau des cellules en prolifération. [dix]

Cycle cellulaire Modifier

En 1994, Matthew Meyerson et Ed Harlow ont étudié le produit d'un gène proche analogue de CDK4. [7] Ce gène, identifié comme PLSTIRE a été traduit en une protéine qui interagissait avec les cyclines CD1, CD2 et CD3 (identique à CDK4), mais qui était différente de CDK4, la protéine a ensuite été renommée CDK6 pour plus de simplicité. [7] Dans les cellules de mammifères, le cycle cellulaire est activé par CDK6 au début de la phase G1 [13] par le biais d'interactions avec les cyclines D1, D2 et D3. [7] Il existe de nombreux changements dans l'expression des gènes qui sont régulés par cette enzyme. [14] Une fois le complexe formé, le complexe enzymatique C-CDK6 phosphoryle la protéine pRb. [15] Après sa phosphorylation, pRb libère son partenaire de liaison E2F, un activateur transcriptionnel, qui à son tour active la réplication de l'ADN. [16] Le complexe CDK6 assure un point de commutation pour s'engager dans la division répondant aux signaux externes, comme les mitogènes et les facteurs de croissance. [17]

CDK6 est impliqué dans une boucle de rétroaction positive qui active les facteurs de transcription via une cascade de réactions. [18] Il est important de noter que ces complexes C-CDK agissent comme une kinase, phosphorylant et inactivant la protéine des «protéines de poche» liées à Rb et p-Rb p107 et p130. [19] En faisant cela, le CDK6 en conjonction avec CDK4, agit comme un signal de commutation qui apparaît d'abord dans G1, [7] dirigeant la cellule vers la phase S du cycle cellulaire. [14]

CDK6 est important pour le contrôle de la transition de phase G1 à S. [7] Cependant, ces dernières années, de nouvelles preuves ont prouvé que la présence de CDK6 n'est pas essentielle à la prolifération dans chaque type de cellule, [20] le cycle cellulaire a un circuit de régulation complexe et le rôle de CDK6 pourrait être plus important dans certains cas. types cellulaires que dans d'autres, où CDK4 ou CDK2 peuvent agir comme des protéines kinases compensant son rôle. [20] [21]

Développement cellulaire Modifier

Chez les souris Knockout mutantes de CDK6, la fonction hématopoïétique est altérée, indépendamment du développement normal de l'organisme par ailleurs. [20] Cela pourrait suggérer des rôles supplémentaires de CDK6 dans le développement de composants sanguins. [20] Il existe des fonctions supplémentaires de CDK6 non associées à son activité kinase. [22] Par exemple, CDK6 est impliqué dans la différenciation des cellules T, agissant comme un inhibiteur de la différenciation. [22] Même si CDK6 et CDK4 partagent 71 % d'identité d'acides aminés, ce rôle dans la différenciation est unique à CDK6. [22] CDK6 s'est également avéré important dans le développement d'autres lignées cellulaires, par exemple, CDK6 a un rôle dans l'altération de la morphologie des astrocytes [23] et dans le développement d'autres cellules souches. [10] [16]

Protection de l'ADN Modifier

CDK6 diffère de CDK4 dans d'autres rôles importants. [24] Par exemple, CDK6 joue un rôle dans l'accumulation des protéines d'apoptose p53 et p130, cette accumulation empêche les cellules d'entrer dans la division cellulaire s'il y a des dommages à l'ADN, activant les voies pro-apoptotiques. [24]

Homéostasie métabolique Modifier

Des études sur le contrôle métabolique des cellules ont révélé un autre rôle de CDK6. [25] Ce nouveau rôle est associé à l'équilibre des branches oxydatives et non oxydatives de la voie des pentoses dans les cellules. [25] Cette voie est une voie connue altérée dans les cellules cancéreuses, lorsqu'il y a une surexpression aberrante de CDK6 et CDK4. [25] La surexpression de ces protéines fournit aux cellules cancéreuses une nouvelle capacité caractéristique du cancer, la dérégulation du métabolisme cellulaire. [25]

Stabilité du centrosome Modifier

En 2013, les chercheurs ont découvert un autre rôle de CDK6. [26] Il existe des preuves que CDK6 s'associe au centrosome et contrôle les phases de division organisée et de cycle cellulaire dans la production de neurones. [26] Lorsque le gène CDK6 est muté dans ces lignées en développement, les centrosomes ne sont pas correctement divisés, ce qui pourrait entraîner des problèmes de division tels que l'aneuploïdie, qui à son tour entraîne des problèmes de santé comme la microcéphalie primaire. [26]

CDK6 est régulé positivement principalement par son union avec les cyclines D D1, D2 et D3. Si cette sous-unité du complexe n'est pas disponible, CDK6 n'est pas active ou disponible pour phosphoryler le substrat pRb. [9] Un activateur positif supplémentaire requis par CDK6 est la phosphorylation dans un résidu thréonine conservé situé en position 177, cette phosphorylation est effectuée par les kinases activatrices de cdk, CAK. [27] De plus, CDK6 peut être phosphorylé et activé par le virus de l'herpès associé au sarcome de Kaposi, stimulant le CDK6 sur l'activation et la prolifération cellulaire incontrôlée. [28]

CDK6 est régulé négativement en se liant à certains inhibiteurs qui peuvent être classés en deux groupes [29] Les CKI ou membres de la famille CIP/KIP comme les protéines p21 [16] et p27 agissent en bloquant et en inhibant les enzymes du complexe de liaison aux C-CDK assemblées [27] dans leur domaine catalytique. [30]

De plus, des inhibiteurs des membres de la famille INK4 tels que p15, p16, p18 et p19 inhibent le monomère de CDK6, empêchant la formation de complexes. [19] [31]

CDK6 est une protéine kinase activant la prolifération cellulaire, elle est impliquée dans un point important de restriction du cycle cellulaire. [18] Pour cette raison, CDK6 et d'autres régulateurs de la phase G1 du cycle cellulaire sont connus pour être déséquilibrés dans plus de 80 à 90 % des tumeurs. [9] Dans les cellules cancéreuses du col de l'utérus, il a été démontré que la fonction de CDK6 est modifiée indirectement par l'inhibiteur de p16. [31] CDK6 est également surexprimé dans les tumeurs qui présentent une résistance aux médicaments, par exemple les gliomes malins présentent une résistance à la chimiothérapie utilisant le témozolomide (TMZ) lorsqu'ils ont une mutation surexprimant CDK6. [32] De même, la surexpression de CDK6 est également associée à une résistance à l'hormonothérapie utilisant l'anti-œstrogène Fluvestrant dans le cancer du sein. [33]

Cancer Modifier

La perte du contrôle normal du cycle cellulaire est la première étape du développement de différentes caractéristiques des altérations cancéreuses de CDK6 pouvant affecter directement ou indirectement les caractéristiques suivantes : l'énergie cellulaire dérégulée, le maintien de la signalisation proliférative, l'évitement des suppresseurs de croissance et l'induction de l'angiogenèse, [9] par exemple, Il a été démontré que la dérégulation de CDK6 est importante dans les malignités lymphoïdes en augmentant l'angiogenèse, une caractéristique du cancer. [19] Ces caractéristiques sont atteintes par une régulation positive de CDK6 en raison d'altérations chromosomiques ou de dérégulations épigénétiques. [9] De plus, CDK6 pourrait être modifié par l'instabilité génomique, un mécanisme de régulation négative des gènes suppresseurs de tumeurs qui représente une autre caractéristique évolutive du cancer. [34]

Médulloblastome Modifier

Le médulloblastome est la cause la plus fréquente de cancer du cerveau chez les enfants. [35] Environ un tiers de ces cancers ont régulé à la hausse CDK6, ce qui représente un marqueur de mauvais pronostic pour cette maladie. [35] Puisqu'il est si courant que ces cellules présentent des altérations de CDK6, les chercheurs cherchent des moyens de réguler à la baisse l'expression de CDK6 agissant spécifiquement dans ces lignées cellulaires. Le MicroARN (miR) -124 a contrôlé avec succès la progression du cancer dans un in vitro pour les cellules de médulloblastome et de glioblastome. [35] En outre, les chercheurs ont découvert qu'il réduisait avec succès la croissance des tumeurs xénogreffes dans les modèles de rat. [35]

En tant que cible médicamenteuse Modifier

Le ciblage direct de CDK6 et CDK4 doit être utilisé avec prudence dans le traitement du cancer, car ces enzymes sont également importantes pour le cycle cellulaire des cellules normales. [35] De plus, de petites molécules ciblant ces protéines pourraient augmenter les événements de résistance aux médicaments. [35] Cependant, ces kinases se sont avérées utiles comme coadjuvants dans la chimiothérapie du cancer du sein. [36] Un autre mécanisme indirect pour le contrôle de l'expression de CDK6 est l'utilisation d'une D-cycline mutée qui se lie avec une haute affinité à CDK6, mais n'induit pas son activité kinase. [36] ce mécanisme a été étudié dans le développement de la tumorigenèse mammaire dans les cellules de rat, cependant, les effets cliniques n'ont pas encore été démontrés chez les patients humains. [36] Un


MP4. Régulation des voies métaboliques : comment est-elle régulée ?

  • Contribution de Chris Schaller
  • Professeur (chimie) au College of Saint Benedict/Saint John's University

Des mécanismes exquis ont évolué qui contrôlent le flux de métabolites à travers les voies métaboliques pour s'assurer que la sortie des voies répond à la demande biologique et que l'énergie sous forme d'ATP n'est pas gaspillée en faisant fonctionner simultanément des voies opposées dans la même cellule.

Les enzymes peuvent être régulées en modifiant l'activité d'une enzyme préexistante ou en modifiant la quantité d'une enzyme.

A. Modification de l'activité d'une enzyme préexistante : Le moyen le plus rapide de moduler l'activité d'une enzyme est de modifier l'activité d'une enzyme qui existe déjà dans la cellule. La liste ci-dessous, illustrée dans la figure suivante, donne des moyens courants de réguler l'activité enzymatique

  1. Disponibilité du substrat : les substrats (réactifs) se lient aux enzymes avec une affinité caractéristique (caractérisée par une constante de dissociation) et un paramètre cinétique appelé Km (unités de molarité). Si la concentration réelle d'un substrat dans une cellule est bien inférieure au Km, l'activité de l'enzyme est très faible. Si la concentration en substrat est bien supérieure à Km, le site actif de l'enzyme est saturé de substrat et l'enzyme est active au maximum.
  2. Inhibition du produit : un produit d'une réaction catalysée par une enzyme ressemble souvent à un réactif de départ, il doit donc être clair que le produit doit également se lier au site d'activité, bien que probablement avec une affinité plus faible. Dans des conditions dans lesquelles le produit d'une réaction est présent en concentration élevée, il serait énergétiquement avantageux pour la cellule si plus aucun produit n'était synthétisé. Une inhibition du produit est donc couramment observée. De même, il serait énergétiquement avantageux pour une cellule que le produit final d'une voie entière puisse également se lier à l'enzyme initiale dans les voies et l'inhiber, permettant à la voie entière d'être inhibée. Ce type de rétro-inhibition est couramment observé
  1. Régulation allostérique : comme de nombreuses voies sont interconnectées, il serait optimal que les molécules d'une voie affectent l'activité des enzymes dans une autre voie interconnectée, même si les molécules de la première voie sont structurellement différentes des réactifs ou des produits d'une seconde voie. Les molécules qui se lient à des sites sur des enzymes cibles autres que le site actif (sites allostériques) peuvent réguler l'activité de l'enzyme cible. Ces molécules peuvent être structurellement différentes de celles qui se lient au site actif. Ils font ainsi mes changements conformationnels qui peuvent activer ou inhiber l'activité de l'enzyme cible.
  2. pH et conformation enzymatique : Les changements de pH qui peuvent accompagner des processus métaboliques tels que la respiration (glycolyse aérobie par exemple) peuvent altérer la conformation d'une enzyme et donc l'activité enzymatique. Les changements initiaux sont covalents (changement de l'état de protonation de la protéine) ce qui peut conduire à une altération du délicat équilibre des forces qui affectent la structure de la protéine.
  3. pH et état de protonation du site actif : les changements de pH peuvent affecter l'état de protonation des chaînes latérales d'acides aminés clés dans le site actif des protéines sans affecter la conformation locale ou globale de la protéine. La catalyse peut être affectée si le mécanisme de catalyse implique un site nucléophile actif (par exemple), qui doit être déprotoné pour l'activité.
  4. Modification covalente : de nombreuses protéines, sinon la plupart, sont soumises à des modifications post-traductionnelles qui peuvent affecter l'activité enzymatique par des changements de forme locaux ou globaux, en favorisant ou en inhibant l'interaction de liaison des substrats et des régulateurs allostériques, et même en changeant l'emplacement de la protéine dans le cellule. Les protéines peuvent être phosphorylées, acétylées, méthylées, sulfatées, glycosylées, amidées, hydroxylées, prénylées, myristolées, souvent de manière réversible. Certaines de ces modifications sont réversibles. La régulation par phosphorylation par l'action des kinases et la déphosphorylation par les phosphates sont extrêmement courantes. Le contrôle de l'état de phosphorylation est médié par un processus de transduction du signal commençant à la membrane cellulaire, conduisant à l'activation ou à l'inhibition des protéines kinases et des phosphatases dans la cellule.

Figure : Régulation de l'activité des enzymes préexistantes

La kinase 2 extracellulaire régulée (ERK2), également connue sous le nom de protéine kinase 2 activée par les mitogènes (MAPK2), est une protéine qui joue un rôle vital dans la signalisation cellulaire à travers la membrane cellulaire. La phosphoryation d'ERK2 sur la Thréonine 183 (Thr153) et la Tyrosine 185 (Tyr185) entraîne un changement structurel de la protéine et la régulation de son activité.

B. Modification de la quantité d'une enzyme : Une autre méthode moins immédiate mais de plus longue durée pour moduler l'activité d'une enzyme consiste à modifier l'activité d'une enzyme qui existe déjà dans la cellule. La liste ci-dessous, illustrée dans la figure suivante, montre comment la concentration enzymatique est régulée.

  1. Alternance dans la transcription du gène de l'enzyme : Le signal extracellulaire (hormones, neurotransmetteurs, etc.) peut conduire à des réponses de transduction du signal et à l'activation ou à l'inhibition ultime de la transcription du gène d'une enzyme protéique. Ces changements résultent du recrutement de facteurs de transcription (protéines) dans des séquences d'ADN qui régulent la transcription du gène de l'enzyme.
  2. Dégradation de l'ARN messager de l'enzyme : Les niveaux d'ARN messager d'une protéine détermineront directement la quantité de cette protéine synthétisée. Les petits ARN inhibiteurs, dérivés de molécules de microARN transcrites à partir d'ADN cellulaire, peuvent se lier à des séquences spécifiques dans l'ARNm d'une enzyme cible. Le complexe d'ARN double brin résultant recrute une enzyme (Dicer) qui clive le complexe avec pour effet de diminuer la traduction de l'enzyme protéique à partir de son ARNm.
  3. Modifications co/post-traductionnelles : une fois qu'une protéine enzymatique est traduite à partir de son ARNm, elle peut subir des modifications affectant les niveaux d'enzymes. Certaines protéines sont synthétisées sous une forme "pré" qui doit être clivée de manière ciblée et limitée par des protéases pour activer l'enzyme protéique. Certaines protéines ne sont pas complètement repliées et doivent se lier à d'autres facteurs dans la cellule pour adopter une forme catalytiquement active. Enfin, une protéine pleinement active peut être entièrement protéolysée par le protéasome, un complexe dans les cellules, ou dans les lysosomes, qui sont des organites dans les cellules contenant des enzymes protéolytiques.

Ensuite, nous examinerons quelles enzymes dans les voies constituent la meilleure cible pour la régulation.


Réseaux d'anticorps dans la découverte de biomarqueurs

Jarad J. Wilson , . Ruo-Pan Huang , dans Avancées en chimie clinique , 2015

1.5.1 Expression des protéines

Premièrement, les niveaux d'expression des protéines fournissent un aperçu unique de l'existence de protéines entières dans un système lorsqu'elles s'appliquent au marquage d'un état biologique. Des modifications des niveaux normaux de protéine(s) peuvent indiquer que le système a mal tourné. Les niveaux d'une protéine peuvent augmenter ou diminuer en réponse à un état biologique particulier ou à une maladie. La protéine C réactive (CRP) est un bon exemple d'un biomarqueur clé régulé à la hausse pendant ou en réponse à l'inflammation. Il est synthétisé dans le foie en réponse à des facteurs sécrétés à la fois par les macrophages et les adipocytes lors d'une réponse inflammatoire. La CRP est particulièrement utile en tant que biomarqueur car elle évalue l'état d'une réponse inflammatoire qui pourrait être provoquée par d'innombrables maladies ou troubles médicaux [8] .


Synthèse du mévalonate à partir d'acétyl-CoA

La première étape de la synthèse du cholestérol conduit à la production du mévalonate intermédiaire. La synthèse du mévalonate est l'étape engagée et limitante de la formation du cholestérol. Dans cette réaction, deux molécules d'acétyl-CoA se condensent, formant de l'acétoacétyl-CoA, qui se condense ensuite avec une troisième molécule d'acétyl-CoA pour donner le composé à six carbones (eta)-hydroxy-(eta) -méthylglutaryl-CoA (HMG-CoA) (Figure 6.3), (la HMG-CoA synthase cytosolique dans cette réaction est distincte de la HMG-CoA synthase mitochondriale qui catalyse une réaction similaire impliquée dans la production de corps cétoniques.). L'étape engagée et le point majeur de la régulation de la synthèse du cholestérol implique la réduction de l'HMG-CoA en mévalonate, dans une réaction catalysée par HMG-CoA réductase.

Figure 6.3 : Étape régulatrice catalysée par la HMG-CoA réductase.

Les étapes suivantes de la voie se déroulent en grande partie de manière non régulée et le mévalonate est utilisé pour synthétiser des unités isoprénoïdes (unités à 5 carbones). Ces chaînes à 5 carbones sont jointes en tête-à-queue générant du squalène, 30 carbones, qui subit une réaction de cyclisation après époxydation. Le produit cyclisé, le lanostérol, subit plusieurs réactions pour générer le produit final, le cholestérol.


THÉORIE DE FOND ET PRÉPARATION PRÉ-LABORATOIRE

Le métabolisme des nutriments est un processus étroitement régulé dans lequel différents types de tissus, cellules, organites et biomolécules participent à la coordination et à la régulation du métabolisme. Chez les animaux supérieurs, l'activité de l'enzyme régulatrice d'une voie biochimique peut être régulée par des mécanismes à court et à long terme. Selon les besoins physiologiques, le contrôle génétique de la synthèse enzymatique peut réguler la quantité d'enzyme disponible par un mécanisme à long terme [ 6 – 8 ].

Les enzymes impliquées dans le métabolisme des protéines, des glucides et des lipides peuvent également être régulées par un mécanisme à court terme. L'un de ces mécanismes est la régulation allostérique, où la liaison de petites molécules, qui peuvent être un activateur, un inhibiteur ou un substrat (modulateurs), augmente ou diminue l'activité enzymatique. Ainsi, l'activité enzymatique peut être régulée en fonction des besoins physiologiques pouvant survenir au cours de la vie cellulaire [ 6 , 7 ].

Les activités enzymatiques peuvent également être régulées par des modifications covalentes réversibles, telles que l'ajout de groupes phosphate aux résidus sérine, thréonine ou tyrosine. La modification covalente est une voie très efficace pour contrôler non seulement les enzymes dans les réactions métaboliques, telles que la synthèse et la dégradation du glycogène, mais également de nombreuses autres fonctions cellulaires, notamment la croissance et la différenciation cellulaires [ 6 – 8 ].

Un autre mécanisme important pour réguler la fonction des protéines est l'activation protéolytique qui peut agir comme des commutateurs, activant et désactivant les protéines. L'activation protéolytique est une forme particulière de modification covalente dans laquelle le précurseur inactif de l'enzyme est activé par un clivage irréversible. Les enzymes actives dans les processus digestifs et de coagulation sanguine sont activées par clivage protéolytique. En général, ces proenzymes sont synthétisées sous forme de chaînes polypeptidiques légèrement plus longues que les véritables enzymes actives, et elles font généralement partie d'une cascade de mécanismes. Comme observé sur la figure 1, après sécrétion dans le duodénum, ​​le trypsinogène est converti en trypsine par l'entéropeptidase, qui hydrolyse une liaison peptidique lysine-isoleucine unique dans le trypsinogène. L'hydrolyse rend la trypsine active, qui a également la capacité d'activer le trypsinogène en clivant les résidus Arg et Lys, puis en générant plus de trypsine [ 5 ]. De plus, la trypsine déclenche également une activation en cascade d'autres enzymes protéolytiques, et le mélange d'enzymes résultant comprend des endopeptidases (trypsine, chymotrypsine et élastase) et des exopeptidases (carboxypeptidases A et B). Ainsi, la formation de trypsine par l'entéropeptidase est l'étape d'activation essentielle [2].

Note générale-

Dans cette expérience, nous décrivons une méthodologie adaptée à l'utilisation du trypsinogène, du chymotrypsinogène et de l'entéropeptidase de poulets de chair, de porcs, de poissons et de ruminants en raison de la facilité d'obtention de ces animaux. En variante, d'autres animaux peuvent être utilisés tels que des cobayes, des souris ou des lapins.

Généralement, cette expérience utilise des réactifs dangereux, comme l'acide acétique, p-nitroanilide, N,N-diméthylformamide et diméthylsulfoxyde.

Ces réactifs doivent être manipulés conformément à leurs instructions de manipulation et éliminés conformément aux consignes de sécurité locales.


6 : Activité enzymatique et régulation des protéines - Biologie

Résumé

Des humains aux bactéries unicellulaires, la vie de tous les organismes dépend des réactions métaboliques qui se produisent dans leur corps. Le bon fonctionnement d'un organisme dépend donc fondamentalement d'une bonne régulation de ces réactions biochimiques. Et c'est ici que les enzymes jouent un rôle central. Les enzymes sont des protéines qui catalysent (c'est-à-dire augmentent ou diminuent les taux de) réactions chimiques. Dans les réactions enzymatiques, les molécules au début du processus sont appelées substrats et elles sont converties en différentes molécules, appelées produits. Presque tous les processus dans une cellule biologique ont besoin d'enzymes pour se produire à des taux significatifs. Étant donné que les enzymes sont sélectives pour leurs substrats et n'accélèrent que quelques réactions parmi de nombreuses possibilités, l'ensemble d'enzymes fabriqué dans une cellule détermine les voies métaboliques qui se produisent dans cette cellule.

Comme tous les catalyseurs, les enzymes agissent en abaissant l'énergie d'activation (Ea&Dagger) pour une réaction, augmentant ainsi considérablement la vitesse de la réaction. En conséquence, les produits se forment plus rapidement et les réactions atteignent leur état d'équilibre plus rapidement. La plupart des vitesses de réaction enzymatiques sont des millions de fois plus rapides que celles de réactions comparables non catalysées. Comme pour tous les catalyseurs, les enzymes ne sont pas consommées par les réactions qu'elles catalysent.

L'activité enzymatique peut être affectée par d'autres molécules. Les inhibiteurs sont des molécules qui diminuent l'activité enzymatique. Les activateurs sont des molécules qui augmentent l'activité. De nombreux médicaments et poisons sont des inhibiteurs d'enzymes. L'activité est également affectée par la température, l'environnement chimique (par exemple, le pH) et la concentration du substrat. Certaines enzymes sont utilisées commercialement, par exemple, dans la synthèse d'antibiotiques.

Structures et mécanismes

Diagramme de ruban montrant l'anhydrase carbonique humaine II. La sphère grise est le cofacteur du zinc dans le site actif. Schéma tiré du PDB 1MOO. Les enzymes sont généralement des protéines globulaires et leur taille varie de 62 résidus d'acides aminés à plus de 2 500 résidus. Il existe un petit nombre de catalyseurs biologiques à base d'ARN, le plus courant étant le ribosome, que l'on appelle soit enzymes ARN ou ribozymes. Les activités des enzymes sont déterminées par leur structure tridimensionnelle. Cependant, bien que la structure détermine la fonction, prédire l'activité d'une nouvelle enzyme uniquement à partir de sa structure est un problème très difficile qui n'a pas encore été résolu.

La plupart des enzymes sont beaucoup plus grosses que les substrats sur lesquels elles agissent, et seule une petite partie de l'enzyme (environ 3&ndash4 acides aminés) est directement impliquée dans la catalyse. La région qui contient ces résidus catalytiques, lie le substrat, puis effectue la réaction est connue sous le nom de site actif. Les enzymes peuvent également contenir des sites qui se lient à des cofacteurs, nécessaires à la catalyse. Certaines enzymes ont également des sites de liaison pour de petites molécules, qui sont souvent des produits ou substrats directs ou indirects de la réaction catalysée. Cette liaison peut servir à augmenter ou à diminuer l'activité de l'enzyme, fournissant un moyen de régulation par rétroaction.

Comme toutes les protéines, les enzymes sont de longues chaînes linéaires d'acides aminés qui se replient pour produire un produit tridimensionnel. Chaque séquence d'acides aminés unique produit une structure spécifique, qui a des propriétés uniques. Des chaînes de protéines individuelles peuvent parfois se regrouper pour former un complexe protéique. La plupart des enzymes peuvent être dénaturées, c'est-à-dire dépliées et inactivées, par chauffage ou dénaturation chimique, ce qui perturbe la structure tridimensionnelle de la protéine. Selon l'enzyme, la dénaturation peut être réversible ou irréversible.

Spécificité

Les enzymes sont généralement très spécifiques quant aux réactions qu'elles catalysent et aux substrats impliqués dans ces réactions. La forme complémentaire, la charge et les caractéristiques hydrophiles/hydrophobes des enzymes et des substrats sont responsables de cette spécificité.

Certaines des enzymes présentant la plus grande spécificité et précision sont impliquées dans la copie et l'expression du génome. Ces enzymes ont des mécanismes de " relecture ". Ici, une enzyme telle que l'ADN polymérase catalyse une réaction dans un premier temps puis vérifie que le produit est correct dans un second temps. Ce processus en deux étapes entraîne des taux d'erreur moyens inférieurs à 1 erreur dans 100 millions de réactions dans des polymérases de mammifères haute fidélité. Des mécanismes de relecture similaires sont également trouvés dans l'ARN polymérase, les aminoacyl ARNt synthétases et les ribosomes.

"Verrouillage et clé" Modèle

Les enzymes sont très spécifiques, et il a été suggéré par le chimiste organique lauréat du prix Nobel Emil Fischer en 1894 que c'était parce que l'enzyme et le substrat possèdent des formes géométriques complémentaires spécifiques qui s'emboîtent exactement les unes dans les autres. C'est ce qu'on appelle souvent le modèle « serrure et clé ». Cependant, alors que ce modèle explique la spécificité enzymatique, il n'explique pas la stabilisation de l'état de transition atteint par les enzymes.

Diagrammes pour montrer l'hypothèse d'ajustement induit de l'action enzymatique.

En 1958, Daniel Koshland a suggéré une modification du modèle de serrure et de clé : puisque les enzymes sont des structures plutôt flexibles, le site actif est continuellement remodelé par des interactions avec le substrat au fur et à mesure que le substrat interagit avec l'enzyme. Dans certains cas, tels que les glycosidases, la molécule substrat change également légèrement de forme lorsqu'elle pénètre dans le site actif. Le site actif continue de changer jusqu'à ce que le substrat soit complètement lié, moment auquel la forme et la charge finales sont déterminées.

Mécanismes

Les enzymes peuvent agir de plusieurs manières, qui abaissent toutes &DeltaG+ :

 Abaisser l'énergie d'activation en créant un environnement dans lequel l'état de transition est stabilisé (par exemple, en forçant la forme d'un substrat et en liant la conformation de l'état de transition des molécules de substrat/produit, l'enzyme déforme le(s) substrat(s) lié(s) dans leur forme d'état de transition, réduisant ainsi la quantité d'énergie nécessaire pour terminer la transition).

 Abaisser l'énergie de l'état de transition, mais sans déformer le substrat, en créant un environnement avec une distribution de charge opposée à celle de l'état de transition.

 Offrir une voie alternative. Par exemple, réagir temporairement avec le substrat pour former un complexe ES intermédiaire, ce qui serait impossible en l'absence de l'enzyme.

 Réduire le changement d'entropie de la réaction en rassemblant les substrats dans la bonne orientation pour réagir. Considérer &DeltaH&Dagger seul néglige cet effet.

Dynamique et fonction

La dynamique interne des enzymes est liée à leur mécanisme de catalyse. La dynamique interne est le mouvement de parties de la structure de l'enzyme, telles que des résidus d'acides aminés individuels, un groupe d'acides aminés ou même un domaine protéique entier. Ces mouvements se produisent à différentes échelles de temps allant de la femtoseconde à la seconde. Les réseaux de résidus protéiques à travers la structure d'une enzyme peuvent contribuer à la catalyse par des mouvements dynamiques. Cependant, bien que ces mouvements soient importants dans la liaison et la libération des substrats et des produits, il n'est pas clair si les mouvements des protéines contribuent à accélérer les étapes chimiques des réactions enzymatiques. Ces nouvelles connaissances ont également des implications dans la compréhension des effets allostériques et le développement de nouveaux médicaments.

Modulation allostérique

Transition allostérique d'une enzyme entre les états R et T, stabilisée par un agoniste, un inhibiteur et un substrat (le modèle MWC)

Les sites allostériques sont des sites sur l'enzyme qui se lient aux molécules dans l'environnement cellulaire. Les sites forment des liaisons faibles et non covalentes avec ces molécules, provoquant un changement dans la conformation de l'enzyme. Ce changement de conformation se traduit par le site actif, qui affecte alors la vitesse de réaction de l'enzyme. Les interactions allostériques peuvent à la fois inhiber et activer les enzymes et constituent un moyen courant de contrôler les enzymes dans le corps.

Cofacteurs et Coenzymes

Cofacteurs

Certaines enzymes n'ont pas besoin de composants supplémentaires pour montrer une activité complète. Cependant, d'autres nécessitent que des molécules non protéiques appelées cofacteurs soient liées pour l'activité. Les cofacteurs peuvent être inorganiques (par exemple, des ions métalliques et des amas fer-soufre) ou des composés organiques. Les cofacteurs organiques peuvent être soit des groupes prothétiques, qui sont étroitement liés à une enzyme, soit des coenzymes, qui sont libérés du site actif de l'enzyme pendant la réaction. Les coenzymes comprennent le NADH, le NADPH et l'adénosine triphosphate. Ces molécules transfèrent des groupes chimiques entre les enzymes.

Coenzymes

Modèle de remplissage d'espace de la coenzyme NADH

Les coenzymes sont de petites molécules organiques qui peuvent être liées de manière lâche ou étroite à une enzyme. Les coenzymes étroitement liées peuvent être appelées groupes allostériques. Les coenzymes transportent des groupes chimiques d'une enzyme à une autre. Les groupements chimiques portés comprennent l'ion hydrure (H-) porté par le NAD ou le NADP+, le groupement phosphate porté par l'adénosine triphosphate, le groupement acétyle porté par la coenzyme A, les groupements formyle, méthényle ou méthyle portés par l'acide folique et le groupement méthyle porté par S-adénosylméthionine.

Étant donné que les coenzymes sont chimiquement modifiées en conséquence de l'action enzymatique, il est utile de considérer les coenzymes comme une classe spéciale de substrats, ou des seconds substrats, qui sont communs à de nombreuses enzymes différentes. Par exemple, environ 700 enzymes sont connues pour utiliser la coenzyme NADH.

Coenzymes are usually continuously regenerated and their concentrations maintained at a steady level inside the cell: for example, NADPH is regenerated through the pentose phosphate pathway. This continuous regeneration means that even small amounts of coenzymes are used very intensively. Par exemple, le corps humain transforme son propre poids en ATP chaque jour.

Inhibition

Competitive inhibitors bind reversibly to the enzyme, preventing the binding of substrate. On the other hand, binding of substrate prevents binding of the inhibitor. Substrate and inhibitor compete for the enzyme.

The coenzyme folic acid (left) and the anti-cancer drug methotrexate (right) are very similar in structure. As a result, methotrexate is a competitive inhibitor of many enzymes that use folates.

Competitive inhibition

In competitive inhibition, the inhibitor and substrate compete for the enzyme (i.e., they can not bind at the same time). Often competitive inhibitors strongly resemble the real substrate of the enzyme. For example, methotrexate is a competitive inhibitor of the enzyme dihydrofolate reductase, which catalyzes the reduction of dihydrofolate to tetrahydrofolate. The similarity between the structures of folic acid and this drug are shown in the figure.

Inhibition non compétitive

In uncompetitive inhibition the inhibitor can not bind to the free enzyme, but only to the ES-complex. The EIS-complex thus formed is enzymatically inactive. This type of inhibition is rare, but may occur in multimeric enzymes.

Non-competitive inhibition

Non-competitive inhibitors can bind to the enzyme at the binding site at the same time as the substrate,but not to the active site. Both the EI and EIS complexes are enzymatically inactive. Because the inhibitor can not be driven from the enzyme by higher substrate concentration (in contrast to competitive inhibition), the apparent Vmax changes. But because the substrate can still bind to the enzyme, the Km stays the same.

Mixed inhibition

This type of inhibition resembles the non-competitive, except that the EIS-complex has residual enzymatic activity. This type of inhibitor does not follow Michaelis-Menten equation.

In many organisms inhibitors may act as part of a feedback mechanism. If an enzyme produces too much of one substance in the organism, that substance may act as an inhibitor for the enzyme at the beginning of the pathway that produces it, causing production of the substance to slow down or stop when there is sufficient amount. C'est une forme de rétroaction négative. Enzymes which are subject to this form of regulation are often multimeric and have allosteric binding sites for regulatory substances. Their substrate/velocity plots are not hyperbolar, but sigmoidal (S-shaped).

Irreversible inhibitors react with the enzyme and form a covalent adduct with the protein. The inactivation is irreversible. These compounds include eflornithine a drug used to treat the parasitic disease sleeping sickness. Penicillin and Aspirin also act in this manner. With these drugs, the compound is bound in the active site and the enzyme then converts the inhibitor into an activated form that reacts irreversibly with one or more amino acid residues.

Biological Function

Enzymes serve a wide variety of functions inside living organisms. They are indispensable for signal transduction and cell regulation, often via kinases and phosphatases. They also generate movement, with myosin hydrolysing ATP to generate muscle contraction and also moving cargo around the cell as part of the cytoskeleton. Other ATPases in the cell membrane are ion pumps involved in active transport. Enzymes are also involved in more exotic functions, such as luciferase generating light in fireflies. Viruses can also contain enzymes for infecting cells, such as the HIV integrase and reverse transcriptase, or for viral release from cells, like the influenza virus neuraminidase.

An important function of enzymes is in the digestive systems of animals. Enzymes such as amylases and proteases break down large molecules (starch or proteins, respectively) into smaller ones, so they can be absorbed by the intestines. Starch molecules, for example, are too large to be absorbed from the intestine, but enzymes hydrolyse the starch chains into smaller molecules such as maltose and eventually glucose, which can then be absorbed. Different enzymes digest different food substances. In ruminants which have herbivorous diets, microorganisms in the gut produce another enzyme, cellulase to break down the cellulose cell walls of plant fiber.

Several enzymes can work together in a specific order, creating metabolic pathways. In a metabolic pathway, one enzyme takes the product of another enzyme as a substrate. After the catalytic reaction, the product is then passed on to another enzyme. Sometimes more than one enzyme can catalyze the same reaction in parallel, this can allow more complex regulation: with for example a low constant activity being provided by one enzyme but an inducible high activity from a second enzyme.

Glycolytic enzymes and their functions in the metabolic pathway of glycolysis

Enzymes determine what steps occur in these pathways. Without enzymes, metabolism would neither progress through the same steps, nor be fast enough to serve the needs of the cell. Indeed, a metabolic pathway such as glycolysis could not exist independently of enzymes. Glucose, for example, can react directly with ATP to become phosphorylated at one or more of its carbons. In the absence of enzymes, this occurs so slowly as to be insignificant. However, if hexokinase is added, these slow reactions continue to take place except that phosphorylation at carbon 6 occurs so rapidly that if the mixture is tested a short time later, glucose-6-phosphate is found to be the only significant product. Consequently, the network of metabolic pathways within each cell depends on the set of functional enzymes that are present.

CONCLUSIONS

Enzymes are used in the chemical industry and other industrial applications when extremely specific catalysts are required. However, enzymes in general are limited in the number of reactions they have evolved to catalyze and also by their lack of stability in organic solvents and at high temperatures. Consequently, protein engineering is an active area of research and involves attempts to create new enzymes with novel properties, either through rational design or in vitro evolution. These efforts have begun to be successful, and a few enzymes have now been designed "from scratch" to catalyze reactions that do not occur in nature.

Référence

1. Comprehensive Laboratory Manual In Biology-XII 2. Biology Text For Class XII &ndash NCERT


Inhibitors: Molecules that bind to enzymes that prevent them from catalyzing reactions

  • If binding involves covalent bonds, then inhibition is often irreversible
  • If binding is weak, inhibition may be reversible

Competitive exclusion: The inhibitor binds to the same site as the substrate would, and blocks the substrate from binding to the enzyme

Non-competitive exclusion: The inhibitor binds somewhere other than the active site, changing the shape of the enzyme and blocking the substrate from binding


Voir la vidéo: 7. Unités dactivité enzymatique (Juin 2022).


Commentaires:

  1. Dimitur

    Super, c'est une drôle d'opinion

  2. Vukus

    Je l'ai lu, mais je n'ai rien compris. Trop malin pour moi.

  3. Heywood

    Il y a quelque chose. Merci pour l'information.

  4. JoJogore

    Votre opinion, c'est votre opinion

  5. Barr

    À mon avis, le sujet est très intéressant. Donnez avec vous que nous traiterons en PM.



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