Les enzymes : définition, nomenclature, classification et cofacteurs

Les enzymes sont les catalyseurs biologiques qui rendent possibles, à la température et au pH de la cellule, des milliers de réactions qui seraient autrement trop lentes. Ce chapitre pose les bases du module : ce qu'est une enzyme, comment on la nomme et la classe, et ce que sont les cofacteurs et coenzymes. Ces définitions sont systématiquement demandées en questions de cours et en QCM au S4.

1. Définition et propriétés générales des enzymes

Une enzyme est une protéine (à l'exception des ribozymes, ARN catalytiques) qui accélère une réaction chimique sans en modifier l'équilibre et sans être consommée. Comme tout catalyseur, elle agit à très faible concentration, se retrouve intacte en fin de réaction et abaisse l'énergie d'activation de la réaction sans changer la valeur de ΔG. La différence avec un catalyseur chimique tient à trois propriétés : une efficacité extraordinaire (accélération de 10⁶ à 10¹² fois, parfois plus), une spécificité stricte de substrat et de réaction, et une activité régulable par la cellule.

L'exemple classique des cours marocains est l'anhydrase carbonique : une chaîne d'environ 260 acides aminés qui hydrate le CO₂ en acide carbonique, lequel se dissocie en bicarbonate et proton. La réaction est réversible et l'enzyme a besoin d'un atome de zinc pour fonctionner : c'est un exemple de cofacteur métallique. La molécule sur laquelle agit l'enzyme est le substrat (S) ; ce qu'elle libère est le produit (P). La spécificité peut être absolue (une seule molécule reconnue, comme l'uréase avec l'urée), de groupe (les hexokinases phosphorylent plusieurs hexoses) ou stéréospécifique (une enzyme ne reconnaît qu'un seul énantiomère, série L des acides aminés ou D des oses).

2. Nomenclature des enzymes

Historiquement, les enzymes ont reçu des noms usuels sans logique (pepsine, trypsine, ptyaline). La nomenclature moderne, fixée par l'Union internationale de biochimie (IUB), construit le nom à partir du substrat et du type de réaction, avec le suffixe -ase : glucose 6-phosphate déshydrogénase, alanine aminotransférase, pyruvate kinase. Chaque enzyme reçoit en outre un numéro EC à quatre chiffres (Enzyme Commission) : le premier chiffre indique la classe, le deuxième la sous-classe (nature du groupement transféré ou de la liaison), le troisième la sous-sous-classe (accepteur, coenzyme) et le quatrième le numéro d'ordre de l'enzyme. Exemple : EC 2.7.1.1 désigne l'hexokinase, une transférase (2) de groupement phosphate (7) sur un groupement hydroxyle (1).

3. Les six classes d'enzymes

La classification internationale repose sur le type de réaction catalysée, jamais sur la nature du substrat. Les oxydoréductases (classe 1) catalysent les transferts d'électrons ou d'hydrogène : déshydrogénases, oxydases, réductases, peroxydases. Les transférases (classe 2) déplacent un groupement d'une molécule à une autre : kinases (phosphate), aminotransférases (groupement amine), méthyltransférases. Les hydrolases (classe 3) coupent une liaison par addition d'eau : protéases, lipases, estérases, glycosidases, phosphatases. Les lyases (classe 4) rompent une liaison sans eau ni oxydation, souvent en créant une double liaison : décarboxylases, aldolases, déshydratases. Les isomérases (classe 5) réarrangent une molécule sans changer sa formule brute : épimérases, mutases, racémases. Les ligases (classe 6), enfin, créent une liaison covalente entre deux molécules en consommant l'ATP : synthétases, carboxylases. Une septième classe, les translocases, a été ajoutée en 2018 pour les enzymes qui déplacent des ions ou molécules à travers les membranes.

4. Cofacteurs, coenzymes et vitamines

Beaucoup d'enzymes ne fonctionnent qu'en présence d'un partenaire non protéique appelé cofacteur. Ce peut être un ion métallique (Zn²⁺ de l'anhydrase carbonique, Mg²⁺ des kinases, Fe²⁺/Fe³⁺ des cytochromes, Cu²⁺, Mn²⁺) ou une molécule organique, le coenzyme. La partie protéique seule est l'apoenzyme, inactive ; l'ensemble apoenzyme + cofacteur est l'holoenzyme, active. On distingue les coenzymes libres (cosubstrats), qui se dissocient de l'enzyme à chaque cycle et sont donc consommés en quantité stœchiométrique avec le substrat (NAD⁺, NADP⁺, coenzyme A, ATP), et les groupements prosthétiques, liés de façon permanente et souvent covalente à la protéine (FAD, hème, biotine, phosphate de pyridoxal, lipoate).

La plupart des coenzymes dérivent de vitamines hydrosolubles que l'organisme humain ne sait pas synthétiser : NAD⁺ et NADP⁺ dérivent de la niacine (B3 ou PP), FAD et FMN de la riboflavine (B2), la thiamine pyrophosphate (TPP) de la vitamine B1, le phosphate de pyridoxal (PLP) de la B6, le coenzyme A de l'acide pantothénique (B5), le tétrahydrofolate de l'acide folique (B9), la biotine de la vitamine B8 (ou H) et les coenzymes cobamidiques de la B12. Une carence vitaminique se traduit donc directement par un déficit enzymatique : le béribéri (B1) ou la pellagre (B3) en sont les exemples historiques.

5. Isoenzymes, zymogènes et unités d'activité

Des isoenzymes sont des formes moléculaires différentes d'une même enzyme, codées par des gènes distincts ou assemblées différemment, qui catalysent la même réaction avec des propriétés cinétiques propres. L'exemple type est la lactate déshydrogénase (LDH), tétramère formé de sous-unités H (cœur) et M (muscle) : cinq isoenzymes de LDH₁ (H₄) à LDH₅ (M₄) dont le profil sérique sert au diagnostic (infarctus, atteinte hépatique). Les zymogènes ou proenzymes sont des précurseurs inactifs activés par coupure protéolytique : pepsinogène → pepsine, trypsinogène → trypsine, chymotrypsinogène → chymotrypsine. L'activité d'une enzyme se mesure par la vitesse de la réaction qu'elle catalyse : l'unité internationale (UI) correspond à la transformation d'une micromole de substrat par minute dans des conditions définies ; le katal (unité SI) à une mole par seconde. L'activité spécifique (UI par mg de protéine) augmente au cours de la purification d'une enzyme et sert d'indice de pureté.