Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 1/15 La dynamique

BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 1/15 La dynamique enzymatique dans l'état de transition Les enzymes parviennent à accomplir une catalyse chimique prodigieuse, tout en gardant une préférence exquise pour des substrats spécifiques et en intégrant une sensibilité à leur environnement biologique. Notre compréhension de la façon dont les enzymes accomplissent ces tâches complexes est en cours de révision et est un sujet de débat animé, même après plusieurs décennies d'études. Les théories les plus influentes sur l'action enzymatique présentent l'état de transition comme obligatoire. ‒ L'enzyme se lie plus fortement à l'état de transition lors de la transformation des réactifs en produits, et cette liaison libère l'énergie nécessaire afin d'abaisser l'énergie libre de la barrière de réaction. • La preuve expérimentale de l'exactitude de ce concept provient : ‒ des géométries de l’état de transition, qui peuvent être déduites d’expériences concernant l’effet isotopique cinétique. ‒ De la stabilisation électrostatique des états de transition. • À partir de ces géométries, des modèles basés sur des calculs de mécaniques quantiques de l'état de transition peuvent être construits, et il est possible d'en déduire des propriétés telles que le potentiel électrostatique et la surface de Van der Waals de l'état de transition. ‒ La synthèse chimique peut alors être utilisée pour imiter ces propriétés de la mécanique quantique, et des analogues stables de l'état de transition sont les plus forts inhibiteurs enzymatiques connus. Ces points semblent apporter un soutien ferme, mais circonstanciel à l'hypothèse d'état de transition obligatoire. Il existe, cependant, des preuves expérimentales aussi fortes que ce concept est incorrect. Les anticorps catalytiques sont des enzymes artificielles qui reconnaissent un ligand apparenté aux réactifs; de la même façon que le système immunitaire produit des d'anticorps afin de se défendre contre des menaces d'invasion. • Si la liaison à l'état de transition est la caractéristique déterminante de l'action enzymatique, une enzyme conçue de manière à se lier fortement à l'état de transition devrait s’avérer être un catalyseur exceptionnel. • Ce n’est pas par manque d'effort, mais de telles enzymes artificielles ont http://oregonstate.edu/instr uct/bb10/spring13/c5/f5.26 z087.jpg http://www.rcsb.org/pdb/101/mot Anticorps catalytique L'anticorps catalytique représenté ici, entrée PDB 1c1e, effectue la réaction de condensation de Diels- Alder indiqué sur le schéma ci-bas. Ce type de réaction n'est pas effectuée par des enzymes naturelles. Ces ‘abzymes’ pourront avoir des applications en tant qu'agents thérapeutiques potentiels - le cancer, le VIH Condensation de Diels-Alder http://www.rcsb. org/pdb/101/mot Concept Abzyme • Les catalyseurs "abzyme" ne sont jamais aussi efficaces que les enzymes pour de nombreuses raisons. Très souvent l’abzyme se lie fortement au produit de la réaction, inhibant son efficacité. • De plus, l’abzyme ne peut pas effectuer la catalyse covalente. BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 2/15 été assez décevantes; les améliorations catalytiques obtenues de 10 à 12 ordres de grandeur inférieures à celles réalisées par les enzymes. Il devient ainsi évident qu’un élément important présent dans les enzymes réelles est absent dans ces enzymes artificielles. Des calculs récents en enzymologie computationnelle ont montré qu'il n’y a pas de liaison étroite dans l'état de transition. • Dans deux enzymes, la lactate déshydrogénase (LDH) et la purine nucléoside phosphorylase (PNP), le temps de séjour dans l'état de transition est extrêmement court – d’1 à 10 femtosecondes, ce qui n’est pas assez pour une liaison forte (ou l’équilibration). Qu’est l'enzymologie computationnelle? L’enzymologie computationnelle enquête sur des questions mécanistiques et autres; questions difficiles à aborder par l'expérience seule. • Les états de transition ne peuvent être étudiés expérimentalement directement en raison de leur très courte durée de vie.  La mécanique quantique combinée avec la mécanique moléculaire (QM / MM) sont les méthodes utilisées pour étudier ces états et les réactions chimiques associées catalysées par des enzymes. ‒ La mécanique moléculaire (MM) fournit une bonne description de la structure des protéines et leur dynamique, mais elle ne peut pas modéliser les réactions chimiques. ‒ La mécanique quantique (QM) est utilisée pour traiter des réarrangements de la structure électronique lors de la rupture et de la formation des liaisons dans les réactions chimiques.  Des protocoles mathématiques d’échantillonnage du chemin réactionnel, couplés avec une analyse de probabilité sont utilisés pour analyser les coordonnées des chemins réactionnels. ‒ L'état de transition est caractérisé par les conformations (états) qui ont une probabilité de 0.5 de briser leur lien, puis d’effectuer une liaison chimique nouvelle. La dynamique des enzymes Une des principales raisons faisant que l'étude de la catalyse enzymatique est si complexe est la grande variété des échelles de temps mises en jeu dans l’évolution de la réaction. BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 3/15 Cette gamme d'échelles de temps est due à la complexité de la structure de l'enzyme, et met en évidence les grandes questions concernant l'évolution des enzymes. Trois questions essentielles peuvent être associées à la question de la complexité des enzymes : 1. Tout d'abord, quelle est la raison de la si grande taille des enzymes ? ‒ La nature gaspille rarement des acides aminés des séquences de protéines inutiles; de sorte que la grande taille de la plupart des enzymes conduirait à supposer la nécessité d'une telle architecture complexe. • Dans certains cas, l'architecture multimérique des enzymes améliore leur stabilité physique dans des environnements extrêmes, mais même dans les mésophiles ces architectures quaternaires semblent être importantes. 2. Il y a des millions de séquences primaires retrouvées dans la nature, mais il y a seulement un nombre relativement restreint de motifs de repliements ‒ De l'ordre d’une centaine de motifs – en magnitude largement inférieure à la variabilité observée en séquences primaires 3. Quelle est la raison expliquant que la conception des enzymes artificielles ait été un tel échec? ‒ Les enzymes artificielles sont au moins 6 et souvent 12 ordres de grandeur moins compétente que les enzymes naturelles. • Si l'on prend les anticorps catalytiques à titre d'exemple, la reconnaissance de l'état de transition n'est pas le principe unique dans la conception de catalyseurs biologiques très efficaces. Lactate déshydrogénase (LDH) Une réponse potentielle aux deux premières questions proviendrait de la détermination des véritables coordonnées réactionnelles de transfert d'hydrure et de proton catalysé chez la lactate déshydrogénase; détermination effectuée grâce à la mécanique quantique et les simulations moléculaires. Les coordonnées réactionnelles ont en plus montré des mouvements attendus pour un hydrure et un transfert de proton, une compression par le biais du site actif ainsi qu'un allégement subséquent du côté distal de la poche de liaison. BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 4/15 Ceci est représenté pour un monomère de LDH du cœur humain dans la figure 1.  La nécessité de créer une architecture protéique permettant à l'énergie d’être canalisée le long d’un chemin qui n'est pas linéaire (et non pas le long d'une hélice par exemple), représente une explication possible de la taille et la complexité des enzymes.  L’absence d'un tel principe dans la conception d'enzymes artificielles, par exemple des anticorps catalytiques, pourrait expliquer pourquoi, même en considérant leur parfaite reconnaissance de l'état de transition, les enzymes artificielles sont toujours insuffisantes en compétence catalytique. Les calculs, comme le montre la figure 2, indiquent que le transfert d'hydrure du donneur au cofacteur (distance hydrure:cofacteur) correspond au moment précis auquel la protéine réalise la compression maximale du site actif dans la vibration promotionnelle (réduction de la distance entre Val31 et site actif). Il en résulte que dans l'enzyme LDH Bacillus, le transfert d'hydrure et du proton est presque simultané, et lui-même synchronisé avec la vibration promotionnelle. Figure 1 montre la “vibration promotionnelle” au sein d’un monomère de la LDH de cœur humain. Cette caractéristique est une part essentielle de la formation / rupture des liens. vibration promotionnelle BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 5/15 Les calculs montrent que le temps de séjour dans la région de l'état de transition est beaucoup trop court (plus petit que la femtoseconde) pour tout équilibre. La figure 3 montre que le temps d’engagement dans l’état de transition correspondant à 0,5 probabilité est de l'ordre de la femtoseconde. Purine nucléoside phosphorylase (PNP) Un court temps de séjour dans la région de l'état de transition a également été démontré dans une réaction très différente, celle catalysée par la purine nucléoside phosphorylase. Cette réaction est beaucoup plus compliquée qu'une Figure 2. Distances montrant le transfert d’hydrures et la compression des sites actifs dans Bacillus LDH. Figure 3. BCM 2505 Concepts en enzymologie – Dynamique enzymatique Page 6/15 réaction de transfert d'hydrogène simple. La réaction chimique catalysée par le PNP est représentée par la figure 4. En chimie des solutions, cette réaction serait considérée comme une réaction SN2 avec attaque nucléophile par le phosphate. Les résultats des calculs montrent que la réaction enzymatique passe par un mécanisme chimique complètement différent dans l'enzyme et est illustrée par la figure 5. Le point de départ montre la guanosine et le phosphate en tant que réactifs, avec les distances (en Å) entre les acides aminés de la protéine impliquée dans le passage de la barrière. Les réactifs uploads/Finance/ 2f-dynamique-enzymatique.pdf