Monsieur P., industriel, cherche à produire une molécule X en quantité importante. Cette molécule présente un intérêt pharmacologique, et elle peut être fabriquée par une voie enzymatique, par transformation d'une substance W.
Monsieur P. a fait faire des études pour déterminer la température et le pH optimaux de cette enzyme, afin de travailler avec le maximum d'efficacité. Il pense que, pour produire davantage de substance X, il lui suffit d'ajouter à une solution d'enzyme toujours plus de molécules W. Ses techniciens biochimistes lui font remarquer que ce n'est peut-être pas aussi simple, et que d'autres facteurs peuvent intervenir.
En s'appuyant sur les documents proposés, déterminer qui a raison dans cette controverse.
La catalyse enzymatique
Une enzyme est une protéine qui assure la transformation d'un substrat en un produit. L'enzyme présente une double spécificité. Son activité est sensible au pH et à la température.
L'enzyme doit se fixer transitoirement sur le substrat pour agir.
Une enzyme se retrouve intacte à la fin de la réaction, et elle peut alors entrer dans un nouveau cycle réactionnel, c'est-à-dire qu'elle peut, après avoir libéré le produit formé, fixer un nouveau substrat.
PM
Étude de la cinétique de formation du produit au cours du temps
La réaction considérée est une transformation simple d'un substrat en produit. Au temps 0, le substrat est mis au contact de l'enzyme et la fabrication du produit est suivie au cours du temps.
Étude de l'influence de la concentration en enzymes et en substrat sur la vitesse initiale de réaction
La réaction considérée est une transformation simple d'un substrat en produit. Pour chaque courbe, la vitesse initiale de réaction est mesurée pour des concentrations initiales croissantes en substrat. Les trois courbes diffèrent par la concentration en enzymes dans le milieu réactionnel.
PM
Quelle conséquence directe le principe même de la catalyse enzymatique a-t-il sur la vitesse de la réaction enzymatique ?
L'enzyme devant fixer transitoirement le substrat, une enzyme « occupée » par une molécule de substrat ne peut plus en fixer une autre et est temporairement indisponible. Cela limite la vitesse à laquelle la réaction peut se dérouler.
À quel phénomène correspond le plateau (partie 2 du graphique) observé après 5 unités de temps dans le graphique du document 2 ?
Le substrat est utilisé lors de la réaction et sa quantité disponible diminue. Lorsque tout le substrat présent est utilisé, il n'y a plus de fabrication de produit, dont la quantité se stabilise.
Quelle caractéristique de la réaction enzymatique peut être déterminée à partir du calcul de la pente de la partie rectiligne (1) de la courbe du document 2 ?
La pente à l'origine de la courbe permet de déterminer la vitesse initiale (Vi) de la réaction.
À quel phénomène correspond le plateau observé à partir de 5 unités de substrat dans le graphique du document 3 ?
Du fait de l'indispensable fixation du produit sur l'enzyme, il existe une concentration en produit à partir de laquelle il est inutile d'ajouter encore du substrat, car ce substrat supplémentaire ne peut être utilisé par l'enzyme.
En plus du pH et de la température, de quoi la vitesse d'une réaction enzymatique dépend-elle ?
Le vitesse d'une réaction enzymatique dépend de la concentration en substrat et de la concentration en enzymes.
Le document 1 rappelle que, pour pouvoir accomplir son rôle, l'enzyme doit impérativement fixer, de manière temporaire, le substrat. La conséquence de ce phénomène est que, durant un court moment, l'enzyme est indisponible pour fixer une autre molécule de substrat, quelle qu'en soit la concentration. Pour une quantité d'enzymes donnée, il existe donc une concentration en substrat telle que toutes les enzymes présentes soient simultanément occupées. Il s'agit de la vitesse maximale de réaction. Celle-ci est visible dans le document 3 sous la forme d'un plateau qui apparaît lorsque la concentration en substrat est suffisante pour occuper toutes les enzymes. Il est donc inexact de dire qu'il serait suffisant d'ajouter toujours davantage de substrat pour augmenter toujours la vitesse de fabrication du produit.
La pente de la partie initiale du document 2 permet de déterminer la vitesse initiale de la réaction. Cette vitesse initiale, comme le montre le document 3, varie avec la concentration en enzymes : plus il y a d'enzymes présentes, et plus la quantité de substrat pouvant être transformée en produit est également importante. Si, par exemple, chaque molécule d'enzyme peut transformer une molécule de substrat en produit en une seconde, alors 10 enzymes pourront transformer 10 molécules de substrat en produit. Mais si la concentration en substrat augmente, les 10 enzymes étant déjà occupées, la vitesse stagne.
Si 10 autres molécules d'enzymes sont alors ajoutées (il y en a donc en tout 20), et qu'il n'y a que 10 molécules de substrat présentes, alors la vitesse est de 10 molécules de substrat transformées en produit en une seconde. Mais si 20 molécules de substrat sont présentes, la vitesse passe à 20 molécules de produit fabriquées en une seconde (toutes les enzymes étant alors simultanément occupées). Ajouter encore du substrat ne changera alors plus la vitesse.
En définitive, M. P. a raison lorsqu'il pense qu'ajouter du substrat peut augmenter la vitesse de fabrication du produit. Mais ceci n'est vrai que dans la mesure où la vitesse maximale n'a pas été atteinte pour une quantité d'enzyme donnée. Pour augmenter encore la vitesse, il y a bien, comme l'affirment les techniciens, un autre paramètre : la concentration en enzymes, ainsi que le montre clairement le document 3 (la vitesse initiale est beaucoup plus importante en augmentant la concentration en enzymes).
Ce sont donc bien deux paramètres qui doivent être maîtrisés ici : la concentration en enzymes, qui permet une Vmax plus importante, et la concentration en substrat, afin de rester à cette Vmax.