Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d'une cellule. La structure tridimensionnelle de l'enzyme lui permet d'interagir avec ses substrats et explique ses spécificités en termes de substrat et de réaction catalytique. On peut classer les protéines issues de l'expression des gènes en deux catégories : les protéines de structure (matériaux de construction) et les protéines de fonction. Les enzymes sont des protéines de fonction qui interviennent dans les réactions chimiques au sein des cellules. C'est l'équipement enzymatique de la cellule issue de l'expression d'une partie du génome qui lui permet d'effectuer une fonction précise. C'est la différenciation cellulaire.
Les enzymes
Le rôle des enzymes dans le métabolisme
Les enzymes sont des biomolécules, c'est-à-dire des molécules synthétisées par les êtres vivants. Elles interviennent dans les réactions biochimiques qui se déroulent à l'intérieur d'un être vivant, donc dans le métabolisme. Elles permettent d'accélérer ces réactions chimiques : ce sont des biocatalyseurs.
Le métabolisme est l'ensemble des réactions biochimiques qui se déroulent à l'intérieur d'un être vivant pour lui permettre de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer et de répondre aux stimuli de son environnement. On distingue deux types de réactions biochimiques :
- le démontage (catabolisme) ;
- l'assemblage (anabolisme) de molécules.
Les enzymes interviennent dans ces réactions biochimiques. Les enzymes sont des catalyseurs très efficaces. La durée de la réaction est de 0,001 s.
Le mode d'action des enzymes
Une enzyme catalyse la transformation d'un substrat (S) en produit (P).
Catalyse
La catalyse désigne le phénomène d'accélération d'une réaction chimique.
Substrat
Le substrat désigne une molécule qui subit une réaction biochimique catalysée par une enzyme.
Produit
Le produit est la molécule issue d'une réaction biochimique catalysée par une enzyme.
Formule d'une catalyse
\text{E} + \text{S}\ce{->}\text{E} - \text{S}\ce{->}\text{E + P}\\\\\text{E = enzyme ; S = substrat de la réaction ; P = produit de la réaction}
L'enzyme fixe le substrat sur un site particulier, le site actif. Le complexe enzyme substrat formé, la réaction chimique a lieu puis l'enzyme libère le ou les produits formés. L'enzyme n'étant pas modifiée par la réaction, elle est immédiatement disponible pour fixer un autre substrat. Une enzyme peut transformer un millier de molécules de substrat en une seconde.
Le cycle catalytique d'une enzyme
La double spécificité des enzymes
Les enzymes présentent une double spécificité : la spécificité de substrat et la spécificité d'action.
La spécificité de substrat des enzymes
Les enzymes présentent une spécificité de substrat : la forme du site actif de l'enzyme conditionne la spécificité du substrat.
La reconnaissance et la fixation du substrat sur le site actif de l'enzyme se fait par complémentarité de forme : on parle de modèle « clé-serrure ». C'est la forme du site actif qui conditionne la spécificité de substrat. Seule une molécule qui s'emboîte parfaitement peut être fixée dans le site actif.
La spécificité d'action des enzymes
Les enzymes présentent une spécificité d'action, elles ne peuvent catalyser qu'une réaction.
Une enzyme ne peut pas catalyser n'importe quelle réaction sur son substrat. Elle ne catalysera qu'une réaction bien précise.
Il existe six grandes catégories d'enzymes :
- Les oxydoréductases, qui assurent les réactions d'oxydoréduction.
- Les transférases, qui assurent le transfert d'un groupement fonctionnel d'une molécule à une autre.
- Les hydrolases, qui catalysent l'hydrolyse de liaisons chimiques au sein des molécules.
- Les lyases, qui catalysent la rupture des liaisons chimiques.
- Les isomérases, qui assurent des réarrangements de groupes fonctionnels des molécules.
- Les ligases, qui permettent d'établir de nouvelles liaisons chimiques.
Les enzymes et la différenciation cellulaire
Toutes les cellules (à l'exception des cellules reproductrices) d'un organisme présentent la même information génétique, autrement dit les mêmes molécules d'ADN et les mêmes gènes. Mais toutes les cellules n'accomplissent pas les mêmes tâches : c'est la différenciation ou spécialisation cellulaire.
Sur l'ensemble des gènes contenus dans une cellule, une seule partie s'exprime dans une cellule spécialisée. Ainsi, sur l'ensemble des enzymes pouvant être fabriquées par un organisme, une partie seulement est fabriquée par chaque cellule, ce qui confère à celle-ci une activité particulière.
C'est ce mécanisme d'expression différentielle des gènes qui permet la différenciation des différentes cellules contenues dans le sang à partir des mêmes cellules souches. Le terme "hématopoïétique" signifie "qui produit des cellules sanguines. Les cellules souches vont donner des cellules dites progéniteurs qui assurent des lignées différentes de lymphocytes.
