La cinétique d'une réaction enzymatique

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.

1Suivre la formation du produit au cours du temps

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 dispositif

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.

Étape 1 sur 6
une molécule de substrat une molécule de produit une molécule d'enzyme une valeur mesurée Les molécules ne sont pas à l'échelle et leur nombre est réduit à ce qui reste lisible : une goutte du milieu réactionnel en contient plusieurs milliers de milliards.

2Mesurer la vitesse initiale : la pente de la tangente

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.

En mathématiques

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.

En physique-chimie

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.

Étape 1 sur 6
tangente à l'instant initial, dont la pente est vi une vitesse initiale reportée Une fois la courbe complète, survolez-la : elle porte deux repères qui ne sont pas nécessaires au raisonnement mené ici.

3Faire varier la concentration en substrat et celle en enzyme

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.

Réglage courant
Réglages

Déplacez le curseur du substrat : chaque valeur essayée dépose son point sur la courbe de droite.

Situations types

Chaque bouton place les deux curseurs dans une situation remarquable.

Enzymes engagées
0 sur 8
Vitesse initiale
0,00
Vitesse maximale
3,00
Part du maximum
0 %
enzyme libre, site actif inoccupé enzyme engagée dans un complexe enzyme-substrat substrat produit Le nombre de molécules dessinées est proportionnel aux concentrations réglées, non à leur valeur absolue.

4Interpréter : le complexe enzyme-substrat

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.

Étape 1 sur 5
La saturation de l'enzyme établit qu'au cours de la réaction le substrat se lie de façon temporaire à l'enzyme, au niveau de son site actif : il se forme un complexe enzyme-substrat.

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

Ce que le site actif explique
  • La conformation spatiale du site actif est complémentaire de celle du substrat : enzyme et substrat s'emboîtent. Quelques acides aminés du site actif établissent avec le substrat des liaisons faibles : ils forment le site de reconnaissance, à l'origine de la spécificité de substrat.
  • D'autres acides aminés du site actif sont indispensables à la transformation elle-même : ils constituent le site catalytique, à l'origine de la spécificité d'action.
  • L'enzyme sort intacte de la réaction et fixe aussitôt une nouvelle molécule de substrat : une même molécule d'enzyme catalyse un très grand nombre de transformations, ce qui explique qu'une enzyme agisse en très faible concentration.
  • Le nombre de sites actifs présents dans le milieu est fini. Lorsqu'ils sont tous occupés en permanence, ajouter du substrat ne change plus rien : c'est ce que traduit le plateau.