Enzymes : des biomolécules catalytiques

Dans les globules rouges, l’anhydrase carbonique catalyse la réaction : CO₂ + H₂O → HCO₃⁻ (ion hydrogénocarbonate) + H⁺. Complète.

1. Le dioxyde de carbone et l’eau, transformés au cours de la réaction, en sont les .
   Les molécules transformées sont les substrats (ou réactifs) : ici le CO₂ et l’eau.
2. L’ion hydrogénocarbonate, qui apparaît, est un de la réaction.
   Une molécule obtenue est un produit ; l’ion H⁺ en est un autre.
3. L’anhydrase carbonique, retrouvée intacte à la fin, est le biologique de la réaction.
   L’enzyme est un catalyseur biologique : elle accélère la réaction sans être consommée ; on l’écrit au-dessus de la flèche.
4. D’après la règle de formation des noms, l’enzyme qui hydrolyse le maltose s’appelle la .
   Le nom d’une enzyme rappelle souvent son substrat, suivi de « -ase » : maltase.
5. L’ensemble des réactions chimiques d’une cellule, chacune catalysée par une enzyme, forme son .
   C’est le métabolisme.

Valeurs choisies. Un substrat S est transformé, molécule à molécule, en un produit P. Un tube contient 12 µmol de S. Avec l’enzyme, la transformation est terminée en 5 min ; sans enzyme, elle demande 50 h.

1. Quantité de P obtenue avec l’enzyme, à la fin : µmol
   Tout le substrat est transformé, molécule à molécule : 12 µmol de P.
2. Quantité de S restant à la fin, sans enzyme, au bout de 50 h : µmol
   Sans enzyme, la réaction est la même, seulement beaucoup plus lente : au bout de 50 h, il reste 0 µmol de S : tout a été transformé. L’enzyme ne change pas le bilan.
3. 50 h = min
   50 × 60 = 3 000 min.
4. Avec l’enzyme, la transformation est fois plus rapide.
   3 000 ÷ 5 = 600.
5. Quantité d’enzyme retrouvée à la fin, en % de la quantité de départ :
   L’enzyme n’est pas consommée : on la retrouve à 100 %.

Une réaction catalysée, suivie par l’apparition de son produit, atteint un plateau à 9 µmol·L⁻¹ au bout de 6 min.

1. Avec trois fois plus d’enzyme et la même quantité de substrat, le plateau est (plus haut, au même niveau ou plus bas).
   La quantité finale de produit dépend du substrat de départ, pas de l’enzyme : plateau au même niveau, 9 µmol·L⁻¹.
2. Avec trois fois plus d’enzyme, ce plateau est atteint (plus tôt, au même moment ou plus tard).
   Trois fois plus de sites actifs : la réaction est plus rapide, le plateau est atteint plus tôt.
3. Avec deux fois plus de substrat et la même enzyme, le plateau vaut µmol·L⁻¹.
   Deux fois plus de substrat transformé : 2 × 9 = 18 µmol·L⁻¹.
4. Le tube préparé avec le même substrat mais sans enzyme, qui montre que le produit vient de l’action de l’enzyme, est le tube .
   C’est le témoin : sans enzyme, la réaction est trop lente pour être observée pendant l’expérience.

Complète.

1. La forme tridimensionnelle d’une enzyme est fixée par la de ses acides aminés.
   La séquence des acides aminés, codée par un gène, détermine le repliement et donc la forme.
2. Dans le site actif, le substrat est maintenu par les acides aminés de .
   Les acides aminés de fixation le retiennent par des liaisons faibles ; d’autres réalisent sa transformation.
3. Le site actif se déforme légèrement au contact du substrat et l’enserre : c’est l’ajustement .
   L’ajustement induit précise le modèle clé-serrure.
4. On observe le site actif sur le modèle 3D d’une enzyme avec un logiciel de moléculaire.
   Un logiciel de modélisation moléculaire, comme Libmol.

Valeurs choisies. Une enzyme est une chaîne de 317 acides aminés. Le modèle 3D montre que son site actif est formé des acides aminés 38, 151, 206 et 289.

1. Écart maximal de positions entre deux acides aminés du site actif :
   289 − 38 = 251 positions.
2. Part des acides aminés de la chaîne qui forment le site actif : % (au dixième)
   4 ÷ 317 × 100 ≈ 1,3 % : le site actif n’est qu’une petite partie de l’enzyme.
3. Nombre d’acides aminés situés dans la chaîne entre l’acide aminé 151 et l’acide aminé 206 :
   206 − 151 − 1 = 54 : on ne compte ni le 151 ni le 206.
4. L’acide aminé 151, qui retient le substrat, est remplacé : le substrat ne se lie presque plus à l’enzyme (5 % de la normale). L’activité (augmente, reste la même ou s’effondre).
   Sans fixation, pas de complexe enzyme-substrat, donc presque pas de catalyse : l’activité s’effondre.

Valeurs choisies. Un tube contient 100 molécules d’enzyme et 1 000 molécules de substrat ; chaque molécule de substrat donne une molécule de produit. À un instant donné, on compte 60 complexes enzyme-substrat et 300 molécules de produit.

1. Molécules d’enzyme libres à cet instant :
   Chaque complexe immobilise une enzyme : 100 − 60 = 40.
2. Molécules de substrat libres à cet instant :
   Substrat ni fixé ni transformé : 1 000 − 60 − 300 = 640.
3. Molécules de produit qui se formeront encore entre cet instant et la fin :
   À la fin, tout le substrat est transformé : 1 000 − 300 = 700.
4. Complexes enzyme-substrat présents une fois la réaction terminée :
   Le complexe est transitoire : plus de substrat, plus de complexe, 0 ; les 100 enzymes sont libres et intactes.
5. Nombre moyen de cycles catalytiques réalisés par chaque molécule d’enzyme sur toute la réaction :
   1 000 ÷ 100 = 10 : chaque enzyme sert plusieurs fois.

Indique la spécificité illustrée par chaque observation : S (de substrat) ou A (d’action).

1. La cellulase d’un champignon hydrolyse la cellulose, mais pas l’amidon →
   Une enzyme, plusieurs molécules proposées, une seule transformée : spécificité de substrat.
2. Le glucose-6-phosphate est transformé en fructose-6-phosphate par une isomérase et en glucose-1-phosphate par une mutase →
   Même substrat, deux enzymes, deux réactions : spécificité d’action.
3. La pepsine de l’estomac coupe les protéines, mais pas les lipides →
   Une seule catégorie de molécules est transformée : spécificité de substrat.
4. Une nucléase coupe l’ADN et l’ARN, mais pas les protéines →
   Une seule famille de molécules, les acides nucléiques, est transformée : spécificité de substrat.
5. Le glutamate est transformé en α-cétoglutarate par la glutamate déshydrogénase et en GABA par la glutamate décarboxylase →
   Même substrat, deux réactions différentes (une oxydation, une perte de CO₂) : spécificité d’action.

On teste deux enzymes sur trois sucres de même formule brute (C₆H₁₂O₆) mais de formes différentes ; le galactose ne diffère du glucose que par l’orientation d’un groupement –OH. L’hexokinase agit en présence d’ATP.

Entre parenthèses : activité de la glucose oxydase en % de son activité avec le glucose (glucose oxydase d’Aspergillus, d’après la fiche technique du fabricant Toyobo).

1. Nombre de sucres nettement transformés par la glucose oxydase :
   Seul le glucose est nettement transformé : 1 ; le fructose et le galactose ne donnent que des traces.
2. Nombre de sucres transformés par l’hexokinase :
   Glucose et fructose : 2 ; le galactose ne l’est pas.
3. Le galactose, si proche du glucose, n’est presque pas transformé par la glucose oxydase : sa spécificité de substrat est très .
   Une seule orientation d’un –OH suffit à empêcher presque toute fixation : spécificité très stricte.
4. Avec le glucose, la glucose oxydase catalyse une oxydation et l’hexokinase l’ajout d’un groupement .
   Le glucose-6-phosphate porte un groupement phosphate : l’hexokinase catalyse une phosphorylation.
5. Ces deux enzymes transforment le glucose en produits différents : leurs spécificités d’action sont .
   Même substrat, deux réactions (oxydation, phosphorylation) : spécificités d’action différentes, fixées par les acides aminés catalytiques de chaque enzyme.

On incube de la lactase avec différents sucres, puis on teste la présence de glucose libre avec une bandelette qui ne réagit qu’au glucose libre.

1. Tube qui montre que le lactose ne libère pas de glucose sans enzyme :
   Le tube 4 (lactose seul) reste négatif.
2. Tube qui montre que la lactase doit être active :
   Dans le tube 3, la lactase bouillie, dénaturée, ne libère pas de glucose.
3. Un élève conclut du tube 2 que la lactase était inactive. Le tube prouve que la même lactase est active.
   Le tube 1 est positif avec la même lactase : le résultat négatif du tube 2 vient du substrat, pas d’une enzyme inactive.
4. Tubes 2 et 5 négatifs, tube 1 positif : la lactase a une spécificité de .
   Elle ne transforme que le lactose : spécificité de substrat.
5. Pour étudier l’autre spécificité de la lactase, on proposerait le lactose à plusieurs .
   Même substrat, plusieurs enzymes : on compare les produits formés.

Calcule la vitesse initiale V_i (les valeurs données correspondent à la partie rectiligne de départ, sauf mention contraire).

1. Produit : de 0 à 1,8 mmol·L⁻¹ en 3 min. V_i = mmol·L⁻¹·min⁻¹
   1,8 ÷ 3 = 0,6 mmol·L⁻¹·min⁻¹.
2. Substrat : de 9,0 à 7,4 g·L⁻¹ en 4 min. V_i de disparition = g·L⁻¹·min⁻¹
   (9,0 − 7,4) ÷ 4 = 1,6 ÷ 4 = 0,4 g·L⁻¹·min⁻¹.
3. Dioxygène : de 0 à 42 µmol·L⁻¹ en 30 s. V_i = µmol·L⁻¹·s⁻¹
   42 ÷ 30 = 1,4 µmol·L⁻¹·s⁻¹.
4. La tangente à l’origine passe par le point (4 min ; 3,6 mmol·L⁻¹). V_i = mmol·L⁻¹·min⁻¹
   La tangente part de (0 ; 0) : 3,6 ÷ 4 = 0,9 mmol·L⁻¹·min⁻¹.
5. Glucose : 0,5 mmol·L⁻¹ à 1 min et 1,1 mmol·L⁻¹ à 3 min, sur la partie rectiligne. V_i = mmol·L⁻¹·min⁻¹
   (1,1 − 0,5) ÷ (3 − 1) = 0,6 ÷ 2 = 0,3 mmol·L⁻¹·min⁻¹.
6. Amidon : il disparaît 2,4 g·L⁻¹ pendant les 3 premières minutes, puis 1,1 g·L⁻¹ seulement pendant les 3 suivantes. V_i = g·L⁻¹·min⁻¹
   On garde le début : 2,4 ÷ 3 = 0,8 g·L⁻¹·min⁻¹ ; ensuite la réaction ralentit.
7. V_i = 1,2 µmol·L⁻¹·s⁻¹, exprimée en µmol·L⁻¹·min⁻¹ :
   1,2 × 60 = 72 µmol·L⁻¹·min⁻¹.
8. Produit : 6,0 mmol·L⁻¹ à 2 min (partie rectiligne depuis 0), puis 7,5 mmol·L⁻¹ à 4 min. V_i = mmol·L⁻¹·min⁻¹
   Seule la partie rectiligne compte : 6,0 ÷ 2 = 3,0 mmol·L⁻¹·min⁻¹ ; 7,5 ÷ 4 ≈ 1,9 serait une vitesse moyenne.

Valeurs choisies. On suit la libération de glucose à partir d’amidon par l’amyloglucosidase, enzyme utilisée pour fabriquer des sirops de glucose.

1. La partie rectiligne de la courbe va de t = 0 à t = min.
   De 0 à 2 puis de 2 à 4 min, on gagne 1,2 mmol·L⁻¹ ; de 4 à 6 min, seulement 0,9 : la partie rectiligne va jusqu’à 4 min.
2. V_i = mmol·L⁻¹·min⁻¹
   2,4 ÷ 4 = 0,6 mmol·L⁻¹·min⁻¹.
3. Vitesse moyenne sur les 24 min : mmol·L⁻¹·min⁻¹ (au centième)
   5,3 ÷ 24 ≈ 0,22 mmol·L⁻¹·min⁻¹ : bien moins que V_i, car la réaction ralentit.
4. Avec deux fois moins d’enzyme (même amidon) : V_i ≈ mmol·L⁻¹·min⁻¹
   À substrat abondant, V_i est proportionnelle à la quantité d’enzyme : 0,6 ÷ 2 = 0,3.
5. Avec deux fois moins d’enzyme, la quantité de glucose obtenue une fois l’amidon épuisé est (plus faible, la même ou plus forte).
   Le plateau dépend de l’amidon de départ : la même, atteinte plus tard.

On mesure la vitesse initiale de l’arginase du foie (arginine → ornithine + urée) pour différentes concentrations en arginine, la quantité d’enzyme restant la même.

1. Quand [arginine] passe de 0,5 à 2 mmol·L⁻¹ (multipliée par 4), V_i augmente de µmol·min⁻¹.
   2,6 − 1,0 = 1,6 µmol·min⁻¹.
2. Quand [arginine] passe de 10 à 40 mmol·L⁻¹ (multipliée par 4 aussi), V_i n’augmente que de µmol·min⁻¹.
   5,0 − 4,3 = 0,7 µmol·min⁻¹ : V_i tend vers un plateau.
3. Vers 40 mmol·L⁻¹, presque tous les sites actifs sont occupés en permanence : l’enzyme est .
   L’enzyme est saturée : ajouter du substrat ne crée plus de complexes supplémentaires.
4. Avec deux fois plus d’arginase, la vitesse initiale maximale serait voisine de µmol·min⁻¹.
   Deux fois plus de sites actifs : 2 × 5 = 10 µmol·min⁻¹.
5. Avec la même arginase, à 80 mmol·L⁻¹ d’arginine, V_i serait voisine de µmol·min⁻¹ (à l’unité).
   L’enzyme est déjà saturée : V_i reste voisine de 5 µmol·min⁻¹. Doubler le substrat ne double pas V_i.

Complète.

1. La structure 3D d’une enzyme est maintenue par de nombreuses liaisons entre ses acides aminés.
   Des liaisons faibles : liaisons hydrogène, liaisons ioniques.
2. À basse température, les molécules s’agitent peu : les rencontres entre enzyme et substrat sont plus .
   Plus rares : moins de complexes formés par minute, activité plus faible, mais structure intacte.
3. Une forte chaleur rompt les liaisons faibles : la chaîne d’acides aminés se .
   La protéine se déplie : c’est la dénaturation.
4. Le site actif d’une enzyme dépliée a perdu sa , complémentaire du substrat.
   Il a perdu sa forme : le substrat ne s’y fixe plus.

Valeurs choisies. Activité d’une phosphatase alcaline à différents pH :

1. pH optimal parmi les valeurs testées :
   Activité maximale (100 %) à pH 10.
2. Entre pH 10 et pH 8, l’activité baisse parce que le pH modifie les électriques de certains acides aminés du site actif.
   Les charges changent : fixation du substrat et catalyse sont moins efficaces.
3. À pH 8, l’effet du pH sur l’enzyme est .
   L’activité revient à 100 % au retour au pH optimal : effet réversible, structure conservée.
4. Après 30 min à pH 12, l’enzyme a été en grande partie .
   Seulement 11 % retrouvés : l’enzyme est en grande partie dénaturée, de façon irréversible.

Valeurs choisies. Document A — activité d’une enzyme mesurée à différentes températures, en % de son activité à 37 °C : 20 °C : 41 ; 37 °C : 100 ; 45 °C : 118 ; 55 °C : 70 ; 65 °C : 9. Document B — des lots de la même enzyme passent 10 min à une température donnée, puis leur activité est mesurée à 37 °C, en % de celle d’un lot non traité : 20 °C : 100 ; 45 °C : 100 ; 55 °C : 66 ; 65 °C : 7.

1. Température optimale parmi les valeurs testées : °C
   Activité la plus forte (118 %) à 45 °C.
2. À 20 °C, l’enzyme est (ralentie ou dénaturée).
   Elle retrouve 100 % à 37 °C : elle était seulement ralentie.
3. Après 10 min à 55 °C, la part des molécules d’enzyme encore actives est d’environ %.
   L’activité retrouvée à 37 °C mesure les molécules non dénaturées : environ 66 %.
4. Après 10 min à 45 °C, la part des molécules d’enzyme dénaturées est de %.
   100 % retrouvés : 0 % dénaturé. À 45 °C, l’agitation favorise les rencontres sans encore rompre la structure.

Complète.

1. L’ensemble des enzymes fabriquées par un type de cellules forme son enzymatique.
   Son équipement enzymatique, propre à chaque type de cellules : c’est un marqueur de sa spécialisation.
2. Un allèle qui code une protéine raccourcie donne en général une enzyme .
   Une protéine raccourcie ne se replie pas correctement : enzyme en général inactive.
3. La présence ou l’absence d’une molécule dans une cellule définit le phénotype .
   C’est le phénotype moléculaire, avant le phénotype cellulaire et celui de l’organisme.
4. Un acide aminé du site actif remplacé peut faire changer l’enzyme de de substrat.
   Le site actif n’est plus complémentaire du même substrat : la spécificité de substrat peut changer.

Chez le chat siamois, un allèle du gène de la tyrosinase, enzyme de la synthèse de la mélanine (pigment foncé des poils), diffère de l’allèle habituel par un acide aminé. L’enzyme produite est inactivée à la température du corps, mais reste active dans les zones plus froides : oreilles, pattes, queue, museau.

1. Dans les cellules pigmentaires des oreilles, la mélanine est .
   Phénotype moléculaire : la tyrosinase y est active, la mélanine est produite.
2. Le pelage du chat siamois est aux extrémités et clair ailleurs.
   Phénotype de l’organisme : extrémités foncées, corps clair.
3. Si une zone du dos est rasée et gardée au froid pendant la repousse, les poils y repoussent .
   Au froid, l’enzyme reste active : poils foncés, alors que le génotype n’a pas changé.
4. Même génotype, phénotypes différents selon la zone du corps : le phénotype dépend aussi de l’.
   Le phénotype dépend de l’allèle et de l’environnement, ici la température.

Le gène ABO code une enzyme de 354 acides aminés qui ajoute un sucre à une molécule de la membrane des hématies. Les enzymes codées par les allèles A et B diffèrent par 4 acides aminés ; l’allèle O, privé d’un nucléotide, code une protéine de 117 acides aminés seulement, inactive (Yamamoto et collaborateurs, 1990).

1. Part des acides aminés identiques entre les enzymes A et B : % (au dixième)
   (354 − 4) ÷ 354 × 100 = 350 ÷ 354 × 100 ≈ 98,9 % : quatre acides aminés suffisent à changer le sucre ajouté.
2. Longueur de la protéine codée par l’allèle O, en % de la longueur normale : % (à l’unité)
   117 ÷ 354 × 100 ≈ 33 % : environ un tiers de la chaîne, sans site actif complet.
3. Nombre d’acides aminés de l’enzyme normale qui manquent à la protéine codée par l’allèle O :
   354 − 117 = 237 : privée de près des deux tiers de sa chaîne, la protéine ne se replie pas en enzyme active.
4. Chez une personne (O//O), le nombre de sucres différents ajoutés par l’enzyme du gène ABO est .
   Aucune enzyme active : 0 sucre ajouté.