Inhibition, facteurs physico-chimiques et régulation allostérique

L'activité d'une enzyme n'est jamais constante : elle est modulée par des inhibiteurs, par le pH et la température, et surtout par les mécanismes de régulation qui permettent à la cellule d'ajuster ses voies métaboliques. Ce chapitre distingue les types d'inhibition réversible, un incontournable des examens, puis présente l'allostérie et la modification covalente, les deux grands modes de contrôle des enzymes-clés.

1. Inhibiteurs irréversibles

Un inhibiteur irréversible se lie de façon covalente ou quasi irréversible à l'enzyme et détruit définitivement une fraction de l'activité ; l'effet ne se dissipe pas par dilution ou dialyse et se traduit par une baisse de V_max proportionnelle à la quantité d'enzyme inactivée. Les organophosphorés (insecticides, gaz de combat) phosphorylent la sérine du site actif de l'acétylcholinestérase ; l'aspirine acétyle une sérine de la cyclo-oxygénase ; la pénicilline se fixe sur la transpeptidase bactérienne ; les ions lourds (Hg²⁺, Pb²⁺) ou l'iodoacétamide bloquent les thiols des cystéines. Les inhibiteurs suicides sont des substrats que l'enzyme transforme elle-même en agent réactif qui la bloque.

2. Inhibitions réversibles : compétitive, non compétitive, incompétitive

Un inhibiteur compétitif ressemble structuralement au substrat et se fixe sur le site actif de l'enzyme libre : il forme un complexe EI inactif et S et I s'excluent mutuellement. Un excès de substrat déplace l'inhibiteur : V_max est inchangée mais le K_m apparent augmente, K_m,app = K_m(1 + [I]/K_i), où K_i est la constante de dissociation de EI. Exemple classique : le malonate inhibe la succinate déshydrogénase, les sulfamides antibactériens miment l'acide para-aminobenzoïque, le méthotrexate bloque la dihydrofolate réductase, les statines inhibent l'HMG-CoA réductase.

Un inhibiteur non compétitif se fixe sur un site distinct du site actif, avec la même affinité sur E libre et sur ES ; le complexe ESI ne donne pas de produit. Le substrat ne peut pas le chasser : V_max apparente diminue, V_max,app = V_max/(1 + [I]/K_i), et K_m est inchangé. Tout se passe comme si l'on avait retiré une partie de l'enzyme. Un inhibiteur incompétitif (anticompétitif) ne se fixe que sur le complexe ES : V_max et K_m apparents diminuent tous deux du même facteur (1 + [I]/K_i), leur rapport restant constant. L'inhibition mixte généralise ces cas : l'inhibiteur se lie à E et ES avec des affinités différentes, V_max diminue et K_m varie dans un sens ou l'autre.

3. Effets du pH et de la température

Chaque enzyme possède un pH optimum : la courbe activité = f(pH) est en cloche, car les résidus du site actif doivent être dans un état d'ionisation précis (histidine protonée ou non, carboxylate chargé) et les pH extrêmes dénaturent la protéine. La pepsine gastrique travaille vers pH 2, la trypsine et la plupart des enzymes intracellulaires vers pH 7 à 8, la phosphatase alcaline vers pH 9 à 10. Le pH modifie aussi l'ionisation du substrat. La température a deux effets opposés : l'élévation accélère la réaction selon Arrhenius (la vitesse double à peu près tous les 10 °C, coefficient Q₁₀ proche de 2), mais au-delà d'un seuil la dénaturation thermique détruit la structure tridimensionnelle et l'activité chute brutalement. La température optimale apparente (autour de 37 à 40 °C pour les enzymes humaines, plus de 80 °C pour celles des archées thermophiles comme la Taq polymérase) est un compromis entre ces deux effets et dépend de la durée de l'incubation.

4. Les enzymes allostériques

Les enzymes allostériques sont des protéines oligomériques (plusieurs sous-unités ou protomères) qui possèdent, en plus du site actif, des sites allostériques où se fixent des effecteurs : activateurs ou inhibiteurs, souvent sans ressemblance avec le substrat. Leur cinétique n'est pas michaélienne : la courbe v₀ = f([S]) est sigmoïde, signe d'une coopérativité entre les sites, la fixation d'une première molécule de substrat facilitant les suivantes. On ne parle plus de K_m mais de K_0,5, concentration donnant V_max/2, et l'équation de Hill v/V_max = [S]ⁿ/(K + [S]ⁿ) fournit un coefficient de Hill n_H supérieur à 1 en cas de coopérativité positive. Le modèle concerté de Monod, Wyman et Changeux (1965) suppose un équilibre entre deux conformations de l'oligomère entier, T (tendue, faible affinité) et R (relâchée, forte affinité) : le substrat et les activateurs déplacent l'équilibre vers R, les inhibiteurs vers T. Le modèle séquentiel de Koshland admet des changements de conformation sous-unité par sous-unité et explique la coopérativité négative.

Les effecteurs homotropes sont le substrat lui-même (coopérativité) ; les effecteurs hétérotropes sont d'autres métabolites. Les enzymes allostériques occupent les étapes-clés des voies métaboliques : première étape engagée, étape irréversible, carrefour. La rétro-inhibition (feedback) par le produit final est la règle : la CTP inhibe l'aspartate transcarbamylase (ATCase) au départ de la synthèse des pyrimidines, tandis que l'ATP l'active. La phosphofructokinase-1 de la glycolyse est inhibée par l'ATP et le citrate (signaux d'abondance énergétique) et activée par l'AMP, l'ADP et le fructose 2,6-bisphosphate. La glycogène phosphorylase musculaire est activée par l'AMP et inhibée par l'ATP et le glucose 6-phosphate.

5. Régulation covalente et contrôle de la quantité d'enzyme

La modification covalente réversible la plus répandue est la phosphorylation d'une sérine, thréonine ou tyrosine par une protéine kinase (à partir de l'ATP), annulée par une protéine phosphatase. Elle relaie les signaux hormonaux : le glucagon et l'adrénaline, via l'AMP cyclique et la protéine kinase A, phosphorylent la glycogène phosphorylase (activée) et la glycogène synthase (inhibée), l'insuline produit l'effet inverse. Autres modifications : adénylylation, méthylation, acétylation. L'activation protéolytique des zymogènes est irréversible : trypsinogène → trypsine par l'entéropeptidase intestinale, puis la trypsine active en cascade chymotrypsinogène, proélastase et procarboxypeptidases ; les facteurs de la coagulation et les caspases fonctionnent de même. Enfin, à plus long terme, la cellule règle la quantité d'enzyme par induction ou répression de la transcription (enzymes inductibles comme la β-galactosidase de l'opéron lactose) et par la vitesse de dégradation des protéines.