Exercices corrigés : les enzymes, des biomolécules catalytiques (Première spécialité SVT)

B. Une enzyme est une protéine qui catalyse une réaction chimique précise : elle l'accélère, et on la retrouve intacte à la fin, prête à servir de nouveau.

A est faux : un catalyseur n'est pas un réactif. D est faux : l'enzyme accélère une réaction qui se produirait sans elle, mais si lentement qu'elle serait sans effet à l'échelle de la vie de la cellule.

C confond l'enzyme et le substrat : l'amidon est dégradé, l'amylase le dégrade.

A. Le substrat est la molécule que l'enzyme reconnaît et transforme. La molécule obtenue est le produit (C).

Piège : écrire « l'enzyme se transforme en produit ». C'est le substrat qui devient produit ; l'enzyme ne fait que guider la réaction.

B. Le site actif est une petite région de l'enzyme, quelques acides aminés sur plusieurs centaines, en creux à sa surface. Il se forme parce que la chaîne se replie : des acides aminés éloignés dans la séquence se retrouvent voisins dans l'espace, ce que l'exercice 7 chiffre sur l'amylase.

C est donc faux, et D aussi : chaque enzyme a un site actif de forme propre, d'où sa spécificité.

B. On propose deux molécules à la même enzyme et une seule est transformée : l'enzyme trie ses substrats. C'est la spécificité de substrat.

La spécificité de réaction (A) se montre autrement : un même substrat, des enzymes différentes, des produits différents.

B. Le substrat est le même, le glucose, mais les deux enzymes ne catalysent pas la même réaction : l'une fixe un groupement phosphate, l'autre oxyde le glucose. Chaque enzyme ne catalyse qu'un type de réaction sur son substrat : c'est la spécificité de réaction.

Les deux spécificités se confondent souvent sur une copie : la question à se poser est « qu'est-ce qui change d'une situation à l'autre, la molécule de départ ou la réaction ? ».

A. Une enzyme est une chaîne d'acides aminés dont l'ordre est dicté par un gène. Cette séquence détermine la façon dont la chaîne se replie, donc la forme du site actif.

Les conditions du milieu (température, pH) peuvent modifier cette forme, mais ce n'est pas un attendu du programme : retenez d'abord le lien gène, séquence, forme, fonction.

B. Les cellules d'un individu sont issues de la même cellule-œuf par des mitoses : elles ont le même génome. Elles n'en expriment pas les mêmes gènes, donc elles ne fabriquent pas les mêmes enzymes : l'équipement enzymatique est un marqueur de la spécialisation cellulaire (exercices 5 et 9).

D est faux : une cellule musculaire striée contient même plusieurs noyaux.

B. La vitesse initiale est la pente de la tangente à la courbe en $t=0$, quand le substrat n'a pas encore été consommé et que sa concentration est celle qu'on a choisie.

A donne une vitesse moyenne, toujours plus faible, car la réaction ralentit à mesure que le substrat s'épuise (exercice 4). C et D renseignent sur la quantité de substrat et sur la durée, pas sur la vitesse initiale.

L'eau iodée colore l'amidon en bleu-noir. Un godet bleu-noir signifie donc que le prélèvement contenait encore de l'amidon ; un godet jaune-orangé, la teinte de l'eau iodée seule, signifie qu'il n'en contenait plus de façon détectable.

Dans le tube avec salive, les godets restent bleu-noir jusqu'à $4$ min, puis virent au violet à $6$ min et au brun-rouge à $8$ min. Le premier godet jaune-orangé est celui de $10$ minutes.

Dans le témoin, les sept godets restent bleu-noir : l'amidon y est toujours présent à $12$ minutes.

Le substrat est l'amidon : c'est la molécule qui disparaît. Le produit est le maltose, sucre réducteur révélé par la liqueur de Fehling à la fin, et absent du témoin.

La molécule qui catalyse la réaction est l'amylase, une enzyme contenue dans la salive. La réaction est une hydrolyse : l'amylase coupe les liaisons entre les glucoses de l'amidon, avec une molécule d'eau à chaque coupure.

Piège : citer « la salive » comme catalyseur. La salive est un liquide qui contient l'enzyme ; sur une copie, on nomme l'enzyme.

Les deux tubes ont le même empois, le même volume, la même température et les mêmes prélèvements : seule la salive diffère, remplacée par de l'eau.

Dans le témoin, l'amidon ne disparaît pas en $12$ minutes. La disparition observée dans l'autre tube n'est donc due ni au temps, ni à la chaleur du bain-marie, ni à l'eau ajoutée : elle est due à la salive.

Le témoin seul ne dit pas QUELLE molécule de la salive agit ; l'enzyme se démontre par d'autres expériences, comme une salive préalablement chauffée, dont l'effet de la température n'est pas un attendu du programme.

Entre la teinte bleu-noir de l'amidon et la teinte jaune-orangé de l'eau iodée seule, le violet puis le brun-rouge montrent un amidon transformé petit à petit : l'amylase le coupe en fragments de plus en plus courts, qui colorent de moins en moins l'eau iodée, jusqu'au maltose, que l'eau iodée ne colore pas.

L'hydrolyse n'est donc pas instantanée : elle progresse au fil des minutes.

Avec une salive deux fois plus diluée, le tube contient deux fois moins d'amylase pour la même quantité d'amidon. La réaction est plus lente : l'amidon cessera d'être détecté plus tard que $10$ minutes.

On peut chiffrer l'idée sur une courbe de vitesse initiale : à concentration en substrat fixée, la vitesse initiale augmente avec la concentration en enzyme (exercice 4).

A est l'enzyme, une protéine représentée par son contour. B est le site actif, le creux de l'enzyme dont la forme correspond à celle du substrat. C est le substrat, la molécule qui va être transformée.

D est le complexe enzyme-substrat : le substrat est fixé dans le site actif. E sont les produits, issus de la coupure du substrat. F est une molécule dont la forme ne correspond pas au site actif : elle n'est pas reconnue.

Piège : légender D « enzyme ». À cette étape on désigne l'ensemble, enzyme et substrat associés, et c'est ce complexe qui explique la réaction.

Étape 1 : le substrat rencontre l'enzyme et se présente devant le site actif, dont la forme lui est complémentaire.

Étape 2 : il s'y fixe, ce qui forme le complexe enzyme-substrat ; dans cette position, la liaison marquée en pointillé est coupée.

Étape 3 : les deux produits se détachent et l'enzyme redevient libre.

Pour être transformée, une molécule doit d'abord se fixer dans le site actif, ce qui suppose une forme complémentaire de la sienne. Le fond arrondi de F n'entre pas dans le creux en V : F ne forme pas de complexe avec l'enzyme, et sa transformation n'est pas catalysée.

C'est la spécificité de substrat, conséquence directe de la forme du site actif.

L'enzyme de l'étape 3 a exactement la forme de celle de l'étape 1 : elle n'a pas été modifiée par la réaction. Elle peut donc accueillir un nouveau substrat, et ainsi de suite.

Une seule molécule d'enzyme catalyse ainsi la réaction un très grand nombre de fois, de quelques fois à plusieurs millions de fois par seconde selon l'enzyme, la catalase de l'exercice 4 étant parmi les plus rapides : quelques gouttes de salive suffisent à hydrolyser l'amidon d'un tube entier (exercice 2).

Première limite : le modèle est plan et rigide. Une enzyme est une molécule en trois dimensions, et son site actif change légèrement de forme au moment où le substrat s'y fixe.

Deuxième limite : il ne montre que des formes. En réalité, le substrat est maintenu par des liaisons faibles avec certains acides aminés du site actif, et d'autres acides aminés participent directement à la coupure (exercice 7).

Le modèle reste utile : il fait comprendre pourquoi la forme décide de ce qui est reconnu.

La tangente à l'origine est la droite qui part de l'origine en épousant le tout début de la courbe. Pour l'extrait dilué, elle atteint $6$ µmol à $t=40$ s (droite $T_1$ du corrigé).

Piège : prendre deux points de la COURBE, par exemple $(40\ ;\,3{,}8)$. On obtient $0{,}095$, une vitesse déjà ralentie : seule la tangente donne la vitesse à l'instant initial.

Pour l'extrait non dilué, la tangente à l'origine atteint $6$ µmol dès $t=20$ s (droite $T_2$).

Je vois : la vitesse initiale double. Je sais : seule la concentration en enzyme a changé, elle a été divisée par deux dans l'extrait dilué. J'en déduit : à concentration en substrat égale, la vitesse initiale est proportionnelle à la concentration en enzyme, dans ce domaine de concentrations.

Chaque molécule de catalase forme des complexes avec l'eau oxygénée à son propre rythme : deux fois plus de sites actifs, deux fois plus de réactions par seconde au départ.

À $120$ s, l'extrait dilué a produit environ $5{,}7$ µmol de dioxygène.

C'est environ trois fois moins que $v_1$ : la réaction ralentit parce que l'eau oxygénée est consommée et que les rencontres avec les sites actifs se raréfient.

On compare donc des vitesses INITIALES : au départ, la concentration en substrat est connue et la même dans les deux enceintes, si bien qu'une seule variable diffère, la quantité d'enzyme. Plus tard, les deux mélanges n'ont plus la même concentration en substrat et la comparaison ne veut plus rien dire.

Les deux courbes tendent vers $6$ µmol parce qu'elles partent de la même quantité d'eau oxygénée, décomposée en totalité. L'enzyme change la VITESSE, pas la quantité de produit qu'on peut obtenir : elle n'est ni un réactif, ni consommée.

L'équation donne $1\ \mathrm{O_{2}}$ pour $2\ \mathrm{H_{2}O_{2}}$, donc :

Sans catalase, l'eau oxygénée se décompose aussi, mais très lentement : sur $120$ s, la sonde ne mesurerait presque rien.

Ce témoin montre que la production rapide de dioxygène est due à l'extrait, et qu'une enzyme accélère une réaction qui existe sans elle, au lieu de la créer. Il ne prouve pas à lui seul que l'agent actif est une protéine : il faudrait d'autres témoins.

La première proposition relie les deux parties : la forme explique la spécificité, l'expression des gènes explique l'équipement de chaque cellule.

La deuxième confond catalyseur et réactif ; la troisième oublie que les cellules d'un individu ont le même génome.

Un plan possible.

Introduction : le métabolisme d'une cellule est un ensemble de réactions chimiques qui, sans catalyseur, seraient trop lentes pour la vie. Les enzymes, protéines issues de l'expression de gènes, les accélèrent. Problème : comment leur structure explique-t-elle leur action précise, et que révèlent-elles d'une cellule ?

I. Une structure qui fonde une double spécificité. 1) Une enzyme est une chaîne d'acides aminés dont la séquence, dictée par un gène, détermine le repliement en trois dimensions. 2) Ce repliement rapproche des acides aminés éloignés dans la séquence et forme le site actif, une petite poche (amylase : $197$, $233$ et $300$ sur $496$). 3) Seul un substrat de forme complémentaire s'y fixe et forme un complexe enzyme-substrat : spécificité de substrat. 4) Certains acides aminés du site catalysent une seule transformation : spécificité de réaction. 5) L'enzyme est libérée intacte et resservira : une petite quantité suffit.

II. Un équipement enzymatique qui signe la spécialisation. 1) Toutes les cellules d'un individu ont le même génome. 2) Chacune n'en exprime qu'une partie : l'hépatocyte exprime la glucose-6-phosphatase et beaucoup de catalase, la cellule de glande salivaire exprime l'amylase. 3) Ces enzymes réalisent la fonction de la cellule : libérer du glucose dans le sang, digérer l'amidon de la bouche. L'équipement enzymatique est donc un marqueur de la spécialisation.

Conclusion : de la séquence à la forme, de la forme à la fonction, l'enzyme relie le gène au phénotype de la cellule. Ouverture possible : une mutation qui modifie le site actif peut supprimer l'activité de l'enzyme (exercice 7), ce qui est la cause de certaines maladies génétiques.

Je vois : les bandelettes des tubes 1 et 5 sont vertes, celles des tubes 2, 3 et 4 restent jaunes. Le glucose libre est donc présent dans les tubes 1 et 5 seulement.

Le tube 2 contient du lactose sans lactase : sa bandelette reste jaune. C'est un témoin négatif : il montre que le lactose ne libère pas de glucose tout seul en $15$ minutes, et que la bandelette ne réagit pas au lactose.

Le tube 5 contient du glucose sans enzyme : sa bandelette est verte. C'est un témoin positif : il montre que la bandelette fonctionne et détecte bien le glucose dans ces conditions. Sans lui, une bandelette jaune ne prouverait rien : elle pourrait être hors d'usage.

Je compare les tubes 1 et 2, qui ne diffèrent que par la lactase. Je vois : glucose libre dans le tube 1, pas dans le tube 2. Je sais : le lactose est formé d'un glucose et d'un galactose liés. J'en déduis : en présence de lactase, le lactose a été coupé et a libéré du glucose. La lactase catalyse l'hydrolyse du lactose.

Piège : comparer les tubes 1 et 3. Ils diffèrent par le sucre, pas par l'enzyme : cette comparaison répond à une autre question, celle de la d).

Les tubes 3 et 4 contiennent de la lactase et un sucre qui renferme du glucose, et leur bandelette reste jaune : le saccharose et le maltose n'ont pas été hydrolysés.

La même enzyme, placée devant trois substrats possibles, n'en transforme qu'un : c'est la spécificité de substrat. Elle s'explique par la forme du site actif de la lactase, complémentaire du lactose et non des deux autres sucres.

La bandelette repose elle-même sur une enzyme. La glucose oxydase ne reconnaît que le glucose libre : le galactose, de forme différente, n'entre pas dans son site actif, pas plus que le glucose encore lié dans le lactose ou le maltose.

La spécificité est donc utilisée deux fois dans cette expérience : celle de la lactase, qu'on étudie, et celle de la glucose oxydase, qui sert d'outil de détection.

La conclusion dépasse les résultats. L'expérience a testé trois sucres : on peut conclure que la lactase hydrolyse le lactose et n'hydrolyse ni le saccharose ni le maltose, dans ces conditions.

Elle ne dit rien des autres molécules. De fait, les lactases hydrolysent aussi d'autres molécules qui portent la même liaison que le lactose, et on s'en sert au laboratoire avec des substrats artificiels.

Énoncé correct : « Parmi les sucres testés, la lactase n'hydrolyse que le lactose. »

L'écart de position est la différence des numéros :

Les deux acides aminés sont séparés par $102$ autres acides aminés dans la chaîne ; on retient l'écart de $103$ positions pour le calcul de longueur.

Dans une chaîne étirée, chaque position ajoute environ $0{,}35$ nm :

Dans la molécule repliée, les deux acides aminés ne sont qu'à environ $1$ nm l'un de l'autre :

Le repliement les rapproche donc d'un facteur de l'ordre de $36$. La même comparaison avec le glutamate $233$ donne $36$ positions, soit plus de $12$ nm de chaîne étirée.

Je vois : trois acides aminés dispersés sur la chaîne dépliée se retrouvent côte à côte, au bord de la même poche, dans la chaîne repliée. J'en déduis : le site actif n'est pas un segment de la séquence, il est créé par le repliement en trois dimensions.

Conséquence : une chaîne dépliée a la même séquence, mais plus de site actif, donc plus d'activité.

Piège : écrire « le site actif est formé des acides aminés $197$ à $300$ ». Les $100$ acides aminés intermédiaires sont pour la plupart loin de la poche.

Le mutant se fixe encore à l'amidon : sa forme reste assez complémentaire pour former le complexe enzyme-substrat. Mais il ne coupe presque plus la liaison.

Le glutamate $233$ n'est donc pas indispensable à la fixation ; il l'est à la catalyse. Le site actif réunit des acides aminés qui retiennent le substrat dans la bonne position et d'autres qui réalisent la transformation chimique, d'où la spécificité de réaction.

Un seul acide aminé changé sur $496$ suffit ici à rendre l'enzyme presque inactive : c'est ainsi qu'une mutation peut supprimer la fonction d'une enzyme.

La séquence des acides aminés de l'amylase est dictée par la séquence des nucléotides de son gène, par la transcription et la traduction.

Cette séquence détermine le repliement, donc la position des acides aminés du site actif, donc la forme du site et les acides aminés qui catalysent. La spécificité de substrat et de réaction découle ainsi, en dernier lieu, de l'information portée par le gène.

FAUX. Une enzyme est un catalyseur : elle forme un complexe avec son substrat, libère les produits et se retrouve intacte, prête à resservir. Une molécule d'enzyme transforme donc un très grand nombre de molécules de substrat.

Énoncé correct : « Une enzyme n'est pas consommée ; une petite quantité suffit à transformer beaucoup de substrat. » Exemple : deux millilitres d'extrait de foie décomposent toute l'eau oxygénée de l'enceinte, et le palier ne dépend pas de la dose d'extrait (exercice 4).

FAUX. L'enzyme accélère une réaction qui est chimiquement possible sans elle, mais si lente qu'elle n'aurait pas d'effet utile à l'échelle de la cellule.

Énoncé correct : « Une enzyme accélère une réaction possible sans elle, souvent de plusieurs millions de fois. » Exemple : l'eau oxygénée se décompose seule, mais très lentement ; avec la catalase, en quelques dizaines de secondes (exercice 4).

VRAI. Le glucose est le substrat de l'hexokinase, qui le transforme en glucose-6-phosphate, et de la glucose oxydase, qui l'oxyde en acide gluconique. Chaque enzyme ne catalyse qu'un type de réaction sur ce substrat : c'est la spécificité de réaction, qui s'ajoute à la spécificité de substrat.

Piège : croire que toutes les affirmations de cet exercice sont fausses. Lisez chaque phrase pour ce qu'elle dit.

FAUX. Les cellules d'un individu ont bien le même génome, mais chacune n'exprime qu'une partie de ses gènes.

Énoncé correct : « Les cellules d'un individu ont les mêmes gènes, mais n'expriment pas les mêmes ; elles n'ont donc pas le même équipement enzymatique. » Exemple : le gène de la glucose-6-phosphatase est présent dans la cellule musculaire, mais seul l'hépatocyte l'exprime (exercice 9).

FAUX. Au cours de la réaction, le substrat est consommé, sa concentration baisse et la réaction ralentit : la courbe s'infléchit puis atteint un palier.

Énoncé correct : « La vitesse diminue au cours du temps ; pour comparer deux expériences, on mesure la vitesse initiale, pente de la tangente à l'origine. » Exemple : sur l'extrait dilué, la vitesse initiale vaut $0{,}15\ \mu\mathrm{mol\cdot s^{-1}}$, la vitesse moyenne sur $120$ s seulement $0{,}048$ (exercice 4).

Je vois sur le document 1 : la glucose-6-phosphatase atteint $100$ dans l'hépatocyte et n'est pas détectée dans la cellule musculaire ni dans la cellule de glande salivaire.

La glycogène phosphorylase, elle, est active dans l'hépatocyte ($100$) ET dans la cellule musculaire ($85$) : elle ne les distingue pas.

L'amylase atteint $100$ dans la cellule de glande salivaire et n'est pas détectée ailleurs, ou presque. Son substrat est l'amidon des aliments, qu'elle hydrolyse dès la bouche (exercice 2).

Je sais (document 2) : la glycogène phosphorylase détache les glucoses du glycogène sous forme phosphatée, qui ne traverse pas la membrane ; seule la glucose-6-phosphatase libère un glucose qui peut sortir.

Je vois (document 1) : la cellule musculaire possède la phosphorylase, mais pas la glucose-6-phosphatase.

J'en déduis : elle peut mobiliser son glycogène, mais le glucose reste phosphaté et prisonnier de la cellule, où il sert à sa propre contraction. Il ne passe pas dans le sang.

Piège : écrire « le muscle n'a pas de glycogène ». L'énoncé dit le contraire ; c'est une enzyme qui manque, pas la réserve.

Juste après le lavage, l'eau ne contient de glucose pour aucun des deux fragments. Quatre heures plus tard, l'eau du foie contient $1{,}2$ g/L de glucose, celle du muscle toujours rien.

Le foie a donc produit du glucose libre à partir d'une réserve, le glycogène, grâce à des enzymes restées actives dans le fragment. Le muscle, qui possède aussi du glycogène et une phosphorylase, n'en libère pas : il lui manque l'étape finale, la glucose-6-phosphatase.

Le document 3 confirme donc la réponse à la question c, par une expérience indépendante du profil enzymatique.

Le gène de la glucose-6-phosphatase est présent dans les deux noyaux, puisque toutes les cellules d'un individu ont le même génome. Mais son ARN messager n'est détecté que dans l'hépatocyte : le gène n'y est exprimé que là, et l'enzyme n'y est fabriquée que là.

L'équipement enzymatique d'une cellule résulte donc des gènes qu'elle exprime. Comme ces enzymes réalisent sa fonction, libérer du glucose pour l'hépatocyte, digérer l'amidon pour la cellule salivaire, elles sont des marqueurs de sa spécialisation.

La catalase est $12{,}5$ fois plus active dans l'hépatocyte que dans la cellule musculaire. Une enzyme commune à toutes les cellules peut donc, elle aussi, en distinguer : c'est le niveau d'expression du gène qui diffère, et non sa seule présence.

Le profil enzymatique d'une cellule se lit donc en quantités, pas seulement en présences et en absences.

Je vois : sur la gélose au lait, les puits P et L sont entourés d'une zone claire ; sur la gélose à l'amidon, ce sont les puits A et L. Aucun autre puits n'a de zone claire.

Le puits E contient de l'eau : sans zone claire, il montre que ni le dépôt ni la diffusion ne digèrent la caséine ou l'amidon. Les zones claires sont donc dues à ce que contiennent les autres puits.

Le puits B contient la lessive complète, chauffée : il n'a plus aucune zone claire. Le chauffage détruit la structure tridimensionnelle des protéines ; la perte d'activité indique que l'agent actif de la lessive est une protéine, une enzyme, et non le détergent. L'effet de la température n'est pas un attendu du programme : on s'en sert ici comme d'un témoin.

Les points du document 2 sont alignés avec l'origine. La pente se calcule sur le dernier point :

Les autres points donnent la même valeur à quelques pour cent près ($\frac{4{,}1}{0{,}5}=8{,}2$). La vitesse initiale est proportionnelle à la quantité de protéase, dans le domaine étudié : doubler la dose double la vitesse au départ.

Gain de la protéase seule sur le blanc d'œuf :

$88-35=53$ points

Gain de la protéase seule sur la purée :

$31-30=1$ point, ce qui est négligeable.

De même, l'amylase seule gagne $54$ points sur la purée et $1$ sur le blanc d'œuf, la lipase $39$ points sur le beurre et presque rien ailleurs.

Démarche. On cherche ce que fait chaque enzyme, sur quoi, et en quelle quantité.

Document 1. Je vois : la protéase digère la caséine et pas l'amidon ; l'amylase digère l'amidon et pas la caséine ; la lessive complète digère les deux ; chauffée, elle ne digère plus rien. Je sais : une enzyme ne reconnaît que les substrats dont la forme est complémentaire de son site actif. J'en déduis : chaque enzyme de la lessive a une spécificité de substrat, et l'activité de la lessive vient bien de protéines actives.

Document 3. Je vois : chaque enzyme ajoutée seule n'améliore le détachement que d'un type de tache, de $39$ à $54$ points, et la lessive complète détache les trois. J'en déduis : aucune enzyme ne suffit seule, parce que chacune n'hydrolyse qu'une famille de molécules ; il en faut une par type de tache, d'où l'association de trois enzymes.

Documents 2 et 4. Je vois : la vitesse initiale augmente proportionnellement à la dose de protéase, et une molécule de protéase coupe des dizaines de liaisons par seconde sans être consommée. J'en déduis : une petite quantité d'enzyme suffit, puisque chaque molécule resservira des milliers de fois pendant un lavage ; la dose fixe surtout la rapidité du lavage.

Conclusion. L'efficacité de cette lessive repose sur trois catalyseurs spécifiques : chacun hydrolyse un seul type de molécule de tache, ce qui impose de les associer pour couvrir protéines, amidon et lipides ; non consommés, ils agissent à moins de $1$ % de la masse du produit. Ces expériences ont été faites à 30 °C : elles ne disent rien de l'efficacité à une autre température.