Une enzyme catalyse la transformation d'un substrat en un produit. Mesurer la vitesse de cette réaction, puis observer comment cette vitesse dépend de la quantité de substrat et de la quantité d'enzyme, renseigne sur la façon dont l'enzyme et son substrat interagissent.
Une enzyme accélère la transformation d'un substrat en un produit. Comment mesure-t-on, au laboratoire, la vitesse de cette réaction ?
Une enzyme est un catalyseur : elle accélère une réaction chimique de transformation d'un substrat S en un produit P, dans des conditions compatibles avec la vie, et se retrouve intacte à la fin de la réaction. Mesurer son activité revient donc à mesurer la vitesse de la réaction qu'elle catalyse, c'est-à-dire à suivre au cours du temps la quantité de produit formé, ou de manière équivalente la quantité de substrat consommé.
Le milieu réactionnel est thermostaté et tamponné : la température et le pH y sont maintenus constants, de sorte que la seule grandeur dont on fasse varier la valeur d'une expérience à l'autre soit la concentration en substrat. La concentration en enzyme, elle, est la même dans les quatre expériences.
Un prélèvement ne se dose pas tel quel : la réaction s'y poursuivrait pendant la mesure. Chaque prélèvement est donc versé dans un tube où l'enzyme est aussitôt dénaturée, ce qui fige la composition du milieu à l'instant du prélèvement.
Les quatre cinétiques ne se superposent pas. Comment tirer de chacune d'elles un nombre unique, qui caractérise la condition dans laquelle elle a été obtenue ?
Sur une courbe qui donne la concentration en produit en fonction du temps, la vitesse de la réaction est la quantité de produit formée par unité de temps : c'est la pente du tracé. Cette pente n'est pas la même partout. Elle est maximale au tout début de la réaction, puis diminue à mesure que le substrat est consommé, jusqu'à s'annuler quand il n'en reste plus. On retient donc, pour caractériser une expérience, la pente mesurée à l'instant initial : la vitesse initiale, notée vi.
La pente d'une droite qui joint deux points de la courbe est un taux de variation. Quand les deux points se rapprochent, ce taux tend vers le nombre dérivé, qui est la pente de la tangente en ce point. La vitesse initiale est le nombre dérivé de la fonction [P] = f(t) en t = 0.
La même grandeur y porte le nom de vitesse volumique d'apparition du produit : la dérivée par rapport au temps de la concentration de l'espèce formée. Les concentrations elles-mêmes s'obtiennent par un dosage par étalonnage, en mesurant l'absorbance des prélèvements.
La vitesse initiale augmente-t-elle indéfiniment lorsque l'on ajoute du substrat ? Et que se passe-t-il si l'on change la quantité d'enzyme ?
Le milieu réactionnel est ici représenté à l'échelle des molécules. Chaque enzyme porte une logette, son site actif, dans laquelle une molécule de substrat peut se loger ; l'enzyme est alors engagée dans un complexe et n'est plus disponible pour une autre molécule de substrat. La transformation faite, le produit est libéré et l'enzyme, intacte, redevient disponible. Les deux curseurs agissent sur la composition du milieu, et les deux graphiques se construisent à partir de ce qui s'y passe.
Déplacez le curseur du substrat : chaque valeur essayée dépose son point sur la courbe de droite.
Chaque bouton place les deux curseurs dans une situation remarquable.
La vitesse initiale plafonne alors que le substrat, lui, continue d'être ajouté. Que nous apprend ce plateau sur la façon dont l'enzyme agit ?
Le résultat à expliquer tient en deux observations. D'une part, à quantité d'enzyme fixée, la vitesse initiale croît de moins en moins vite lorsque la concentration en substrat augmente, jusqu'à ne plus croître du tout : elle atteint une vitesse initiale maximale. D'autre part, cette valeur maximale n'est pas une propriété du substrat : elle est doublée lorsque l'on double la concentration en enzyme.
E + S → ES → E + P l'enzyme E fixe le substrat S, forme avec lui le complexe ES, libère le produit P, et se retrouve intacte