BOOST SVT - ETUDE DE LA CINÉTIQUE DE LA CATALYSE ENZYMATIQUE

Étudier la cinétique des réactions chimiques ou biochimiques c’est s’intéresser à la vitesse de ces réactions. Cette vitesse peut varier au cours du temps en fonction des concentrations en substrat ou en produit. On s’intéresse à la cinétique de l’activité catalytique des enzymes : on étudie la vitesse à laquelle le substrat de l’enzyme peut disparaître ou bien la vitesse à laquelle le ou les produits peuvent être formés.

Nous allons travailler sur trois graphiques qui valident le modèle de Michaelis et Menten, qui ont compris, au début du XX^e siècle, comment fonctionne une enzyme, à savoir que l'activité catalytique est basée sur une complémentarité tridimensionnelle entre l’enzyme et son substrat qui permet un attachement, la formation d’un complexe transitoire et alors la catalyse à proprement parler.

I. Quantité de produits formés en fonction du temps

Ce graphique traduit la quantité de produit(s) (il peut y avoir un ou plusieurs produits formés au cours d’une catalyse enzymatique) formés en fonction du temps.

La concentration en produit(s) est en ordonnée (les concentrations sont toujours notées entre crochets, en fonction du temps). Dans les trois graphiques, les unités sont toujours arbitraires. Dans celui-ci, on se place à une concentration enzymatique constante, qu’elle soit libre ou que son site actif soit occupé. On étudie cette variation de la concentration de produits formés pour deux concentrations en substrat initiales notées S1 et S2.

Dans les deux cas, on voit une courbe qui a la même forme, avec au départ, une pente importante puis une pente qui diminue. La concentration S1 initiale (première concentration de substrat étudiée) est inférieure à la concentration de substrat S2. On constate logiquement, qu'on forme plus de produit(s) pour une concentration de substrat supérieure, donc dans le cas numéro 2.

On s’intéresse aux tangentes à la courbe, tracées en rouge. La tangente est une droite dont la pente va donner la vitesse de réaction. Pour calculer la pente (le coefficient directeur de ces tangentes), on a la variation de la concentration de produit(s) sur la variation du temps. Ainsi, le coefficient directeur des tangentes donne la vitesse de réaction, ici, de catalyse enzymatique à n’importe quel point de la courbe.

Remarques : il a été tracé en rouge les tangentes à l’origine, au début de la catalyse enzymatique. On parle de vitesse initiale et on observe que dans le premier cas, avec peu de substrat, cette vitesse initiale est inférieure à la vitesse initiale du deuxième cas, avec une concentration en substrat supérieure. La concentration en substrat influence la vitesse initiale de la catalyse enzymatique.

Par ailleurs, dans les deux cas, la vitesse atteinte au bout d’un certain temps est nulle puisque la tangente serait horizontale, donc de coefficient directeur nul. Dans les deux cas, la catalyse enzymatique arrive à sa fin. On peut supposer que le substrat a été entièrement consommé, c’est-à-dire entièrement transformé grâce à l’enzyme, et la concentration atteinte de produit est maximale, on obtient donc moins de produit dans le cas numéro 1, avec moins de substrat au départ, qu’on en obtient dans le cas numéro 2.

II. Vitesse initiale de la catalyse en fonction de la concentration enzymatique

Ce deuxième graphique traduit la vitesse initiale de la catalyse enzymatique en fonction de la concentration en enzyme.

La concentration en enzyme se trouve en abscisse, la vitesse initiale en ordonnée et on travaille à une concentration initiale en substrat constante, quel que soit le point qu’on étudie, on est parti de la même quantité de substrat. On constate que le tracé de cette courbe donne une droite qui passe par l’origine donc la vitesse initiale est proportionnelle à la concentration, c’est-à-dire la quantité d’enzymes disponibles pour catalyser la réaction que l’on étudie. En augmentant la quantité d’enzymes disponibles au départ, en passant par exemple de E1 à E2, on augmente la vitesse initiale de réaction.

On peut donc dire que la vitesse initiale est à la fois liée à la concentration initiale de substrat, mais aussi à la concentration d’enzymes disponibles. Cela vient corroborer de modèle de Michaelis-Menden qui dit qu’il y a une conformation permettant un assemblage spécifique entre l’enzyme et le substrat. Plus il y a de substrat, plus l’enzyme peut travailler. Plus il y a d’enzymes disponibles, plus il y a de molécules de substrat qui peuvent être transformées en même temps donc plus la catalyse globale sera rapide.

III. Vitesse initiale de la catalyse en fonction de la concentration initiale en substrat

On voit la vitesse initiale de la catalyse en fonction de la concentration initiale en substrat et cette fois, on est pour une concentration d’enzyme constante.

On voit une courbe croissante au départ puis horizontale, stable. Ainsi, si on augmente la concentration en substrat pour une quantité d’enzyme donnée, dans un premier temps la vitesse initiale va augmenter (on utilise au mieux l’ensemble des molécules d’enzymes disponibles). En revanche, au delà d’un certain seuil, augmenter encore la concentration initiale de substrat ne permet plus de faire augmenter la vitesse initiale.

À ce stade, on parle de vitesse initiale maximale, elle est caractéristique de l’enzyme et on peut dire que l’enzyme est saturé, cela signifie que tous les sites actifs des molécules d’enzymes disponibles dans le milieu de réaction sont occupés. Ces sites actifs sont occupés transitoirement puisqu’ils sont occupés lorsqu’il y a complexe enzymes-substrat mais ensuite ils sont libérés et, à nouveau, ces mêmes molécules vont servir à catalyser d’autres substrats. Ainsi, lorsque l’enzyme est saturé, il n’y a plus de molécules d’enzymes disponibles et donc la vitesse initiale ne peut plus augmenter même si on rajoute du substrat.

Si on divise la vitesse initiale maximale par deux et qu’on prend la concentration initiale de substrat correspondante on obtient une constante Km, la constante de Michaelis, qui est caractéristique d’un enzyme et qui peut être utilisée dans des études un peu plus poussées de la biochimie des enzymes.