Les enzymes accélèrent les réactions chimiques en abaissant l’énergie d’activation grâce à plusieurs stratégies catalytiques. Contrairement aux catalyseurs chimiques, les enzymes opèrent dans des conditions douces de température, de pH et de pression, et présentent une remarquable spécificité pour leurs substrats.
Le cycle catalytique
Les enzymes lient leurs substrats au site actif, une poche ou crevasse spécifique dans la structure tridimensionnelle. La liaison se produit par complémentarité de forme et interactions chimiques, décrite par les modèles clé-serrure ou d’ajustement induit. Le modèle d’ajustement induit est généralement plus précis, car les enzymes subissent souvent des changements conformationnels qui optimisent les groupes catalytiques autour du substrat. Une fois lié, l’enzyme stabilise l’état de transition, l’intermédiaire à haute énergie le long de la coordonnée réactionnelle, abaissant ainsi l’énergie d’activation et accélérant la réaction.
Catalyse acide-base
La catalyse acide-base implique le transfert de protons entre l’enzyme et le substrat. La catalyse acide générale donne un proton pour stabiliser une charge négative naissante, tandis que la catalyse basique générale élimine un proton pour augmenter la nucléophilie d’un groupe. De nombreuses enzymes utilisent les chaînes latérales d’acides aminés comme donneurs ou accepteurs de protons. L’histidine est particulièrement polyvalente car son groupe imidazole a un pKa proche de la neutralité, lui permettant de fonctionner comme un acide ou une base au pH physiologique. La ribonucléase A utilise deux résidus histidine, l’un comme base générale et l’autre comme acide général, pour cliver l’ARN.
Catalyse covalente
La catalyse covalente implique la formation transitoire d’une liaison covalente entre l’enzyme et le substrat, créant un intermédiaire réactif qui abaisse l’énergie d’activation. L’intermédiaire covalent se décompose ensuite pour régénérer l’enzyme libre. Les sérine protéases comme la chymotrypsine utilisent une triade catalytique de sérine, histidine et aspartate. L’hydroxyle de la sérine attaque le carbone carbonyle du substrat, formant un intermédiaire acyl-enzyme qui est ensuite hydrolysé. Cet intermédiaire covalent empêche la réaction inverse et accélère la voie directe.
Catalyse par ions métalliques
Environ un tiers de toutes les enzymes nécessitent des ions métalliques et cofacteurs pour leur activité catalytique. Les métalloenzymes lient étroitement des ions métalliques tels que le zinc, le fer, le cuivre ou le manganèse comme composants intégraux. Les enzymes activées par les métaux lient les ions métalliques moins étroitement mais les nécessitent pour leur activité. Les ions métalliques participent à la catalyse en servant de catalyseurs électrophiles, en stabilisant les charges négatives, en jouant un rôle dans les réactions d’oxydoréduction, ou en orientant les substrats au site actif. L’anhydrase carbonique utilise un ion zinc pour activer une molécule d’eau pour l’attaque du dioxyde de carbone. La cytochrome c oxydase utilise des ions fer et cuivre dans les réactions de transfert d’électrons et de réduction de l’oxygène.
Catalyse par proximité et orientation
Les enzymes augmentent les vitesses de réaction en rapprochant les substrats et dans la bonne orientation pour la réaction. La concentration effective des substrats au site actif peut être des milliers de fois plus élevée qu’en solution. Cet avantage entropique réduit la perte de liberté translationnelle et rotationnelle qui accompagne normalement la formation d’un état de transition. La structure du site actif oriente précisément les groupes réactifs, réduisant davantage l’énergie d’activation.
Stabilisation des états de transition
Les enzymes atteignent leur plus grand effet catalytique en liant l’état de transition plus étroitement que le substrat à l’état fondamental. Le site actif est complémentaire de la structure de l’état de transition plutôt que du substrat lui-même. Cette stabilisation sélective peut abaisser l’énergie d’activation de 10 à 15 kcal/mol, correspondant à des accélérations de vitesse de 10^7 à 10^12. Les analogues d’état de transition, des molécules qui ressemblent à la structure de l’état de transition, sont souvent de puissants inhibiteurs enzymatiques et ont été développés comme médicaments. Le concept de stabilisation de l’état de transition est central pour comprendre l’évolution des enzymes et la conception d’inhibiteurs enzymatiques.
Catalyse électrostatique
L’environnement du site actif est souvent peu solvaté par rapport à la phase aqueuse globale, et les groupes chargés sont positionnés pour stabiliser les charges naissantes dans l’état de transition. Cette préorganisation électrostatique réduit l’énergie de réorganisation nécessaire à la stabilisation des charges pendant la catalyse. La superoxyde dismutase oriente les résidus chargés pour stabiliser l’état de transition de l’anion superoxyde, atteignant l’une des vitesses catalytiques les plus élevées connues, limitée uniquement par la diffusion.
