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Pour toute question : Service Relation Clientèle • Éditions Techniques de l’Ingénieur • 249, rue de Crimée 75019 Paris – France par mail : infos.clients@teching.com ou au téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 DOSSIER Techniques de l’Ingénieur l’expertise technique et scientifique de référence Par : Ce dossier fait partie de la base documentaire dans le thème et dans l’univers Document délivré le Pour le compte Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Editions T.I. bio590 Biocatalyse ou catalyse enzymatique Didier COMBES Professeur à l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse Pierre MONSAN École nationale supérieure des mines de Paris, Professeur à l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse, Institut universitaire de France Catalyse et procédés catalytiques Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique Procédés chimie - bio - agro 04/07/2012 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BIO 590 – 1 BIO 590 11 - 2009 Biocatalyse ou catalyse enzymatique par Didier COMBES Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse et Pierre MONSAN Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse École nationale supérieure des mines de Paris Institut universitaire de France es enzymes savent compenser leur manque de généricité par leur extra- ordinaire sélectivité, voire énantiosélectivité et régiosélectivité, qui en font des outils de choix pour réaliser des réactions de synthèse dans des conditions particulièrement compatibles avec la préservation de l’environnement (milieux aqueux, pH non extrêmes, températures peu élevées). L’utilisation de plus en plus grande de matières premières renouvelables, donc d’origine biologique, pour favoriser des conditions de développement durable ne pourra qu’accroître les exemples de mise en œuvre de biocatalyseurs. De plus, les outils de la biologie moléculaire, combinés à ceux de la biologie structurale et de la modélisation « in silico », permettent aujourd’hui non seulement de diversifier les sources de nouvelles enzymes et d’en améliorer extraordinaire- ment l’efficacité et la stabilité, mais également de concevoir des biocatalyseurs totalement originaux, capables de réaliser de nouvelles réactions. 1. Enzymes : structure, origine, classification ..................................... BIO 590 - 2 1.1 Structure – coenzymes ................................................................................ — 2 1.2 Sources d’enzyme........................................................................................ — 3 1.3 Classification des enzymes ......................................................................... — 4 2. Cinétique homogène ............................................................................... — 5 2.1 Équation de Michaelis-Menten ................................................................... — 5 2.2 Inhibition/activation ..................................................................................... — 6 2.3 Allostérie (modèle de Monod) .................................................................... — 7 2.4 Effet du pH et de la température................................................................. — 8 3. Cinétique hétérogène.............................................................................. — 9 3.1 Méthodes d’immobilisation des enzymes ................................................. — 9 3.2 Influence des phénomènes de transfert de matière (diffusion, encombrement stérique, partage)............................................ — 11 3.3 Réacteurs (piston, mélangé) ....................................................................... — 12 4. Applications industrielles des enzymes ............................................ — 13 4.1 Détergents .................................................................................................... — 13 4.2 Industrie de l’amidon................................................................................... — 13 4.3 Domaine agroalimentaire (alimentation humaine et animale) ................ — 14 4.4 Chimie fine et santé ..................................................................................... — 15 4.5 Applications analytiques, diagnostic et capteurs...................................... — 17 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BIO 590 L Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 Ce document a été délivré pour le compte de 7200038556 - universite de la reunion sce commum documentation // 195.220.151.50 tiwekacontentpdf_bio590 BIOCATALYSE OU CATALYSE ENZYMATIQUE _____________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BIO 590 – 2 1. Enzymes : structure, origine, classification 1.1 Structure – coenzymes Les enzymes sont des protéines et, à ce titre, leur structure peut être décrite en quatre étapes : – structure primaire : c’est l’ordre d’enchaînement des acides aminés de série L, liés entre eux par une liaison de type amide, la liaison peptidique. Ce premier niveau de structure est responsable au moins indirectement des niveaux supérieurs d’organisation et ainsi de toutes les propriétés des protéines, en particulier des pro- priétés catalytiques des enzymes, mais aussi de la formation d’autres liaisons covalentes (modifications post-traductionnelles) ; – structure secondaire : elle résulte de l’établissement de liaisons hydrogène entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. L’existence de structures secondaires vient du fait que les repliements énergétiquement favorables de la chaîne peptidique sont limités et que seules certaines conformations sont possibles. Il existe trois principales catégories de structures secondaires selon le repliement des liaisons peptidiques : les hélices (de type alpha), les feuillets (de type bêta) et les coudes ; – structure tertiaire : la chaîne polypeptidique déjà ordonnée en structure secondaire peut se replier sur elle-même pour former une molécule de configuration spatiale bien déterminée (en général, de forme globulaire dans le cas des enzymes). Les liaisons intramolé- culaires (pont disulfure, liaisons hydrogènes, liaisons ioniques, liaisons hydrophobes) responsables de la stabilité de la structure tertiaire se forment à partir des chaînes latérales des acides aminés ; – structure quaternaire : les protéines sont souvent constituées de plusieurs sous-unités qui correspondent chacune à une chaîne polypeptidique de structure tertiaire définie. L’association de ces sous-unités entre elles par le même type de liaisons que celles rencontrées au niveau de la structure tertiaire constitue la structure quaternaire de la protéine. C’est de cette association dont dépend l’activité de la protéine. La réaction de production d’un produit à partir d’un substrat, catalysée par une enzyme passe par la formation d’un complexe enzyme-substrat. Cette notion de couple enzyme-substrat implique que l’enzyme possède une région complémentaire par sa taille, sa forme et la nature chimique du substrat : c’est le site actif de l’enzyme. Ainsi, une seule substance ou au plus un nombre limité de substances peuvent se lier à l’enzyme et agir en tant que subs- trat. C’est seulement lorsque le substrat est ancré dans le site actif que peuvent se produire les changements chimiques qui le convertissent en produit. On sait que le site actif n’a pas besoin d’être une cavité rigide ou une poche, mais plus simplement un arrangement spécifique dans l’espace de résidus d’acides aminés qui vont interagir avec les groupes complémentaires du substrat. Les enzymes sont des protéines dont la masse molaire est au moins supérieure à 10 000. La plupart des substrats sont des subs- tances de faible masse molaire (dans le cas des substrats polymériques : protéines, polysaccharides... c’est seulement une partie du polymère qui est reconnue et non le polymère entier). Ainsi, seule une faible fraction de l’enzyme est impliquée dans le site actif. Il n’y a pas plus d’une douzaine d’acides aminés autour du site actif et seuls deux ou trois d’entre eux sont directement impliqués. Pourquoi les enzymes sont-elles des macromolécules alors qu’un peptide constitué d’une douzaine d’acides aminés devrait suffire ? La réponse est évidente lorsque l’on considère que les deux ou trois résidus d’acides aminés du site actif doivent avoir une conformation tridimensionnelle précise impossible à obtenir à partir d’un court peptide. La combinaison de l’enzyme et du substrat peut être plus spécifi- que encore que ne le laissent penser les concepts du type clef-ser- rure. Une liaison tridimensionnelle du substrat et la flexibilité du site actif permettent d’expliquer le haut degré de spécificité d’une enzyme vis-à-vis, par exemple, de molécules analogues au substrat. Les enzymes accélèrent d’une manière phénoménale les vitesses de réaction. Lorsqu’il est possible de comparer des vitesses de réac- tion non enzymatique et enzymatique, on observe que les enzymes accélèrent les vitesses de réaction d’un facteur supérieur à 1015. Toutefois, la réaction « S est transformé en P » doit tout d’abord être possible d’un point de vue thermodynamique. Mais avant qu’une molécule de substrat soit transformée en produit, elle doit posséder un minimum d’énergie pour passer par un état de transi- tion. Cet état activé représente une sorte de point médian où les liaisons du substrat sont suffisamment modifiées pour que la conversion en produit soit possible. Il y a deux façons pour accélérer cette réaction. La première consiste à élever la température de telle manière qu’un nombre significatif de molécules atteignent l’état de transition. Une autre façon est de diminuer l’énergie d’activation. Les cellules vivantes existent aux températures relativement faibles (entre 0 et 100 oC). À ces températures de la vie, pratique- ment aucune des réactions du métabolisme intermédiaire ne peut se dérouler à une vitesse suffisante pour permettre la croissance ou la maintenance de la cellule. De plus, même si la cellule pouvait augmenter d’une manière significative sa température, il n’y aurait pas de réaction favorisée par rapport à une autre. Ce sont donc les Encadré 1 – Historique Il est très difficile de donner une date exacte de la décou- verte des enzymes. Une activité hors d’une cellule vivante a été observée en 1783 lorsque Spallanzani nota que la viande était « liquéfiée » par le suc gastrique des faucons. D’autres observations similaires ont été faites par la suite, mais la première découverte d’une enzyme est uploads/Industriel/ bio590.pdf