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Renouvellement moléculaire et activité enzymatique

1 Glucides, lipides et protides

L'organisme est composé de matière minérale (eau, ions minéraux) et de matière organique. Les substances organiques sont constitués par trois types principaux de molécules : les glucides, les lipides et les protides.

• Glucides : ce sont les sucres, composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. On en distingue trois types :
  • les oses, composés de 3 à 7 atomes de carbone
    • pentoses, à 5 carbones (désoxyriboses, ribose), hexoses, à 6 carbones (glucose, fructose, galactose)
  • les diholosides (ou disaccharides), composés par une association de deux oses
    • maltose, saccharose, lactose.
  • les polyholosides (ou polysaccharides), composés d'un enchaînement de nombreux glucoses, comme l'amidon ou la cellulose chez les végétaux, et le glycogène chez les animaux
• Lipides : composés eux aussi de carbone, d'oxygène et d'hydrogène, ils sont insolubles dans l'eau. Ils sont constitués par un alcool et un ou plusieurs acides gras selon la réaction : alcool + acide gras -> lipide + eau.
  Certains lipides particuliers, renfermant un groupement phosphate, et appelés phospholipides, sont les constituants principaux de la membrane des cellules.
• Protides : ils contiennent du carbone, de l'oxygène, de l'hydrogène et de l'azote, et éventuellement du soufre ou du phosphore. On en distingue trois familles :
  • les acides aminés : il en existe 20 différents, et tous ont une structure commune, du type :
    Seul ce radical (R) varie d'un acide aminé à un autre.
  • les peptides sont constitués par un enchaînement de quelque acides aminés : ils sont reliés par une liaison peptidique :
    
  • les protéines sont des peptides constitués par un enchaînement de nombreux acides aminés (+ de 50). La nature des acides aminés d'une protéine, leur nombre et leur ordre confèrent à une protéine des propriétés particulières.

2 Le renouvellement moléculaire

2.1 Importance du renouvellement moléculaire

On considère à l'échelle de l'organisme deux mécanismes de renouvellement, l'un à l'échelle cellulaire, l'autre à l'échelle moléculaire :

L'un est le remplacement de cellules mortes par mitose des cellules vivantes : on le nommera renouvellement cellulaire. Nous l'avons étudié son processus dans le chapitre sur la transmission de l'information génétique. Sa caractéristique fondamentale est la conservation à l'identique de l'information génétique dans les cellules filles.

L'autre processus concerne le renouvellement moléculaire proprement dit. On sait par exemple que certaines molécules synthétisées dans le cytoplasme sont intégrées dans la membrane plasmique (cf. schéma). De plus, la traduction de l'information génétique conservée dans les cellules s'exprime dans la synthèse des nouvelles molécules, soit de manière directe (synthèse des protéines au niveau des ribosomes), soit indirectement par le biais des protéines enzymatiques qui aident à la formation de nouveaux produits. Nous verrons en effet que les enzymes, protéines issues de la traduction de l'information génétique d'une cellule donnée, sont indispensables au renouvellement des molécules constitutives de cette cellule.

L'organisme est le siège de réactions permanentes conduisant à la dégradation de nombreuses molécules intra- et extracellulaires (catabolisme) ou, au contraire, à l'édification de nouveaux matériaux (anabolisme). La permanence des structures, tant à l'échelle de la cellule qu'à celle de l'organisme, impose donc un équilibre dynamique entre ces deux processus que l'on regroupe sous le terme de métabolisme.

Le renouvellement moléculaire est ainsi constant, que les cellules aient par ailleurs gardé ou non leur capacité à se répliquer. Pour donner une idée de l'importance du phénomène, on considère que chez un individu adulte sain, 1 à 2% des protéines sont remplacées chaque jour.

2.2 Les matières premières de l'édification moléculaire

Nous allons ici compléter nos connaissances développées dans le premier chapitre. En effet, nous pouvons maintenant identifier différents types de matériaux moléculaires qui vont entrer en jeu dans le processus de renouvellement.

Le premier type que nous avons déjà mentionné provient de l'absorption de nutriments. Une deuxième source peut être identifiée dans les résidus de la dégradation de macromolécules cellulaires. Ainsi, lorsqu'une molécule est détruite, ses constituants de base sont "recyclés" et vont servir à l'édification d'une nouvelle entité. Enfin, certaines molécules préalablement synthétisées dans l'organisme constituent des briques fondamentales pour construire des structures moléculaires plus complexes.

Notons à ce propos que certaines de ces structures fondamentales ne peuvent être synthétisées par l'organisme et doivent donc provenir de l'alimentation. Ainsi, sur les 20 acides aminés nécessaires à la construction des protéines, huit d'entre eux ne peuvent être synthétisés par les cellules humaines: on les nomme acides aminés indispensables. Ce sont la leucine, la lysine, la valine, la méthionine, la phénylalanine, le tryptophane, l'isoleucine et la thréonine.

3 L'activité enzymatique

3.1 Qu'est-ce qu'un enzyme ?

Sur le plan de la structure chimique, une enzyme est une protéine. On peut donc immédiatement déduire qu'elle est le résultat d'une synthèse ribosomale, c'est à dire qu'elle est une traduction directe de l'information génétique.

Sur le plan fonctionnel, une enzyme est un catalyseur biologique. C'est à dire qu'elle sert à accélérer une réaction chimique sans y prendre part en tant que réactif. Comme tous les catalyseurs, elles agissent en faible quantité et se retrouvent intactes à la fin des réactions qu'elles activent.

Toutes les réactions chimiques indispensables au renouvellement cellulaire et moléculaire sont conditionnées par des enzymes. Ainsi gèrent-elles les activités du métabolisme. Si nous rapprochons cette remarque de notre premier point, on déduit que toutes ces opérations organiques fondamentales sont directement ou indirectement modalisées par l'information génétique.

3.2 Conditions de l'action des enzymes

Comme tout catalyseur, les enzymes agissent sous des conditions de pH et de température spécifiques, évidemment compatibles avec la vie. Des études de cinétique chimique (mesure de la vitesse des réactions) montrent qu'en faisant varier ces facteurs, la catalyse est plus ou moins rapide. Ainsi, il existe des conditions optimales à l'activité enzymatique.

3.3 Modalités de l'action enzymatique

Une réaction enzymatique n'est autre que la formation d'un complexe entre l'enzyme et la substance sur laquelle elle agit (son substrat). Lorsque la réaction de catalyse est achevée, le complexe enzyme-substrat se dissocie naturellement, laissant l'enzyme disponible pour agir sur une autre molécule de substrat.

Cette liaison est possible de par la complémentarité structurelle entre une zone particulière de la molécule enzymatique (le site actif) et une zone correspondante du substrat. C'est donc la configuration spatiale de la protéine qu'est l'enzyme qui définit le substrat sur lequel elle agit. Cette configuration, rappelons-le, est une expression directe de l'information génétique. Chaque enzyme, caractérisée par un site actif particulier, est donc spécifique d'une réaction et d'un substrat donné.

On déduit de la description de ce processus l'existence, à température et pH donnés, d'une vitesse maximale d'activité enzymatique ne dépendant que de la quantité d'enzyme présente. En effet, celle-ci est atteinte lorsque toutes les molécules d'enzyme sont complexées avec leur substrat spécifique: on dit que l'enzyme est saturée. Pour que ce soit le cas, une condition suffisante est d'introduire une quantité de substrat supérieure ou égale à celle d'enzyme présente. Notons que tant que l'enzyme est saturée, la vitesse de la réaction reste stable.

Mots-clés :

• glucides, lipides, protides ;
• Nutriments ; anabolisme ; catabolisme ; acides aminés indispensables ;
• Enzymes ; site actif ; catalyseur.