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Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie

Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 1 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Introduction Les organismes vivants sont le siège d'un grand nombre de réactions biochimiques très diverses. Ces réactions s'effectuent dans des conditions « douces » où, normalement, elles seraient très lentes. Si elles ont lieu, c'est parce qu'elles sont catalysées par des macromolécules biologiques : les enzymes. La plupart des réactions dans les organismes vivants sont catalysées par des protéines appelées enzymes. Les enzymes peuvent à juste titre être appelés le mécanisme catalytique des systèmes vivants. Il existe un nombre très important d’enzymes et on en découvre encore aujourd’hui de nouvelles. Six classes d'enzymes sont répertoriées selon la réaction chimique qu’elles catalysent : les oxydoréductases, les transférases, les hydrolases, les lyases, les isomérases et les ligases. Selon cette classification, à chaque enzyme correspond un numéro EC (« Enzyme Commission »). Par exemple : hydrolases (EC 3). Une enzyme est spécifique d’un substrat, molécule dont elle catalyse la transformation. A la fin de la réaction la structure de l'enzyme se retrouve inchangée. Leur mode d’action est basé sur la reconnaissance spécifique du substrat par un domaine particulier chez l’enzyme (site actif ou site catalytique). L’activité enzymatique est liée à la structure tertiaire de l’enzyme, et notamment à celle du site actif. Des facteurs comme le pH ou la température, pouvant influencer cette structure tridimensionnelle ou encore l’état d’ionisation du site actif, affectent fortement l’activité enzymatique. Chaque enzyme possède donc une température et un pH d’activité optimale. Le marché des enzymes industrielles est actuellement tenu par un certain nombre de fabricants comme : Novozyme (Danemark), la Société Gist-Brocades (Hollande), Genentech (USA), Henkel. Novozymes est le premier producteur mondial d’enzymes industrielles. Le marché global des enzymes industrielles était estimé à 3,6 milliards de dollars en l’an 2000. Moins de 30 enzymes comptent pour plus que 90% des enzymes industrielles utilisées : détergence 35% ; amidon 25% ; alimentaire 20% ; autres industries 20%. Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 2 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Définitions Enzyme : Protéine présentant des propriétés de catalyse spécifiques d’une réaction chimique du métabolisme de l’être vivant qui la produit.  Toutes les enzymes sont des protéines.  Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs, c’est-à-dire qu’en agissant à des concentrations très petites, elles augmentent la vitesse des réactions chimiques, sans en modifier le résultat. A la fin de la réaction la structure de l’enzyme se retrouve inchangée.  Une enzyme donnée est spécifique d’une réaction, c’est-à-dire qu’elle catalyse toujours la même transformation, se produisant sur les mêmes corps chimiques initiaux.  Les protéines enzymatiques sont synthétisées par des êtres vivants. Cette synthèse est déterminée génétiquement : sa conservation dans le génome est favorisée par le besoin qu’éprouve cet être vivant de faire cette réaction. Substrat : Molécule qui entre dans une réaction pour y être transformée grâce à l’action catalytique d’une enzyme. Toutes les molécules qui entrent dans une réaction enzymatique et sont définitivement modifiées sont appelées substrats. Produit : Molécule qui apparaît au cours d’une réaction catalysée par une enzyme. La nouvelle molécule qui résulte de cette transformation est appelée produit. Ligand : Corps chimique ayant une liaison spécifique avec une enzyme. Toutes les molécules ayant une liaison spécifique avec une protéine sont appelées ligands. Pour chaque ligand, il existe au moins un site de fixation sur la protéine qui le reçoit. Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 3 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Cofacteur : Corps chimique intervenant obligatoirement dans une réaction enzymatique : - pour transporter ou compléter un substrat ; - pour accepter un produit ; - comme participant à la structure de l’enzyme.  Les cofacteurs peuvent être des ions comme l’atome de Zinc de l’anhydrase carbonique ou de petites molécules minérales habituellement présentes dans les milieux biologiques, à commencer bien sûr par la molécule d’eau.  Certains cofacteurs sont des molécules plus complexes synthétisées par les cellules: nous les appellerons coenzymes Coenzymes : Molécule biologique intervenant comme cofacteur indispensable dans la catalyse enzymatique d’une réaction :  les coenzymes libres interviennent dans la réaction de manière stoechiométrique ;  les coenzymes liés interviennent dans la réaction de manière catalytique. Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 4 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Classification et nomenclature des enzymes Principe 1961 - 1972 : Enzyme commission Þ codification internationale. Un certain nombre d’appellations traditionnelles subsistent, mais l’emploi des numéros de code est aujourd’hui obligatoire dans toutes les publications scientifiques et les documentations techniques et commerciales. La nomenclature officielle comporte 6 classes, elles-mêmes divisées en sous classes. Le numéro de code spécifie : 1 - le type de réaction (classe) 2 - le type de fonction du substrat métabolisé (sous-classe) 3 - le type de l’accepteur 4 - Le numéro d’ordre (dans la sous-sous-classe). Classes 1 Oxydoréductases : réaction redox portant sur différents résidus, associant des coenzymes, des cytochromes, des accepteurs comme O2, …EC 1.1.1. 2 Transférases : transfert d’un groupement carboné, phosphoré, azoté, etc. d’une Molécule à une autre. On distingue parfois les aminotransférases : transfert d’un groupement a-NH2 d’une molécule sur un céto-acide, en position a : on obtient un nouvel acide aminé et les transaminases : le NH2 n’est pas transféré en a : le nouveau composé n’est pas un acide a aminé. EC 2. 3 Hydrolases : liaisons ester, résidus glycosyle, etc.EC 3. 4 Lyases : catalysent l’enlèvement ou l’addition d’un groupement autrement que par Hydrolyse. EC 4. 5 Isomérases : EC 5. 6 Ligases : création d’une liaison entre 2 molécules couplée avec la dégradation d’une liaison à haut potentiel énergétique. EC 6. Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 5 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Le mécanisme de base de la catalyse enzymatique L’enzyme accélère la réaction sans modifier l’état d’équilibre en abaissant l’énergie d’activation du substrat. La première étape implique la formation d’un complexe enzyme- substrat et la spécificité d’un substrat par des interactions/adaptation réciproque via des liaisons de faibles énergies. Les enzymes stabilisent aussi l’état de transition et assurent la transformation du substrat en produit, libéré avec l’enzyme.  Théoriquement, une seule réaction possible, sur un seul substrat  En fonction de l’environnement atomique du site catalytique, un seul type de réaction sera possible : • acide - base • redox, par échange d’électrons avec des ions métalliques (cytochromes) • transferts de groupements Les enzymes abaissent l'énergie d'activation. L'énergie d'activation ou l'énergie libre d'activation (Δ GA) est l'énergie qui doit être absorbée par les réactifs pour que leurs liaisons soient brisées. Les réactifs doivent atteindre un état de transition instable dans lequel les liaisons sont plus fragiles et plus faciles à briser. Même une réaction exergonique, où le Δ G est négatif, requiert l'absorption d'énergie pour atteindre l'état de transition. Figure1 : Abaissement de l’énergie d’activation Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 6 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Figure 2 : Barrière d’énergie d’activation et vitesse Figure 3 : Barrière d’énergie d’activation et affinité Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 7 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne Figure 4 : Causes structurales de l’affinité enzyme/substrat Dr.Nehal Fatima Départ. Sciences Agronomiques et Biotechnologies Module : Génie enzymatique 8 cours pour les L3 Biotechnologie Microbienne RÉACTEURS ENZYMATIQUES ET FERMENTEURS Les procédés de préparation de plusieurs produits alimentaires de grande consommation comportent au moins une étape mettant en jeu des microorganismes ou des enzymes :  lorsque cette étape fait appel à des micro-organismes qui se développent en consommant une partie d’un réactif appelé substrat et en transformant l’autre en divers produits, le réacteur employé est un fermenteur ;  si cette étape est une réaction biochimique catalysée par des enzymes transformant un substrat en produit, elle est réalisée dans un réacteur enzymatique. Il est courants de faire une distinction entre fermenteurs et réacteurs enzymatiques, car les premiers mettent en jeu de la matière vivante et doivent souvent fonctionner en conditions stériles. L’objectif de cette partie est de présenter, d’un point de vue général, les différents types de fermenteurs et de réacteurs enzymatiques, leurs principes de conception et leurs modes d’utilisation 1. Principes de choix et de dimensionnement Le choix du type de bioréacteur à utiliser dépend du nombre de phases à mettre en présence pour effectuer la bioréaction : une seule phase liquide ou une phase gaz dispersée dans une phase liquide (cas de cultures aérobies) ou encore une phase solide dispersée dans une phase liquide (cas, par exemple, d’enzymes immobilisées). Il convient de remarquer que les micro-organismes ayant une taille inférieure à 20 mm et une masse volumique très proche de celle des milieux de culture, on assimile les suspensions de microorganismes dans les milieux de culture à une phase liquide pseudohomogène. Bien sûr cette hypothèse n’est plus valable si les microorganismes tendent à s’agglomérer pour former des flocs (levures) ou des pelotes (champignons filamenteux). Le choix uploads/Finance/ cours-genie-enzymatique-20.pdf