3. Enzymes allostériques


3.1 Enzymes montrant un effet coopératif positif de type K et fonction vi=f([S]) à allure sigmoïdale

Que signifie ce titre bien compliqué ? Il signifie :
• la fixation du substrat sur ses sites présente un phénomène de coopérativité positive lors de la liaison du substrat. L'enzyme, oligomérique, existe sous plusieurs formes conformationnelles. Chaque sous-unité constitutive portant un site catalytique peut se trouver à l'état tendu (faible affinité pour le substrat) ou relaché (forte affinité pour le substrat).
• La liaison du substrat sur un site à l'état tendu induit une transconformation plus ou moins globale déplaçant les autres sous-unités vers l'état relaché (cf. ce qui a été vu dans le paragraphe précédent concernant l'hémoglobine). A la pace d'effet coopératif positif, on aurait pu utiliser le synonyme "effet homotrope positif" (voir paragraphe 5 sur le vocabulaire).
• En signalant dans le titre que l'effet coopératif est de type K, on a signifié que les différences de propriétés "enzymatiques" entre les états tendus et relachés des sous-unités étaient au niveau de l'affinité pour le substrat (et pas au niveau de la vitesse réactionnelle).
• Et finalement, les propriétés ci-dessus expliquent l'allure sigmoïde fonctions vi=f([S]).

allosterie-sigmoideenz (12K)

Remarque. Dans le cas présenté, l'effet coopératif voit l'occupation d'un site catalytique améliorer les propriétés d'affinité des autres sites catalytiques identiques de l'enzyme. On parle alors d'effet coopératif positif de type K. Un synonyme étant effet homotrope de type K (tout ça pour encombrer un peu plus la mémoire des étudiants de mots compliqués ? ....)


3.2 Effecteurs allostériques (cas des systèmes K)

Au sens strict, Un effecteur allostérique remplit 3 conditions :
• C'est une molécule autre que le(s) substrat(s) ayant un ou plusieurs sites de fixation sur l'enzyme.
• Le(s) sites en question est(sont) distinct(s) du site catalytique.
• La liaison de l'effecteur allostérique entraîne des changements conformationnels propagés à l'échelle de l'enzyme entière et à l'origine d'une activation ou d'une inhibition.

On parlera ainsi d'activateurs et d'inhibiteurs allostériques.

Remarque. L'effecteur allostérique se lie à un site totalement distinct et éloigné du site catalytique et la liaison de cet effecteur modifie (par changement conformationnel induit) les propriétés du site catalytique pour son substrat : cet effet est qualifé d'effet hétérotrope. A mettre en comparaison avec l'effet coopératif, homotrope vu dans le paragraphe précédent. Voir aussi le paragraphe 5 de vocabulaire.

 

Dans ce qu'on appelle les systèmes K (les plus classiques), les changements conformationnels dus à la liaison des effecteurs allostériques modifient l'affinité des différentes sous-unités pour le substrat catalysé et pas le coefficient catalytique (k0, Vmax) :
•  La liaison d'un inhibiteur allostérique (sur ses sites spécifiques) va favoriser l'état tendu à faible affinité pour le substrat. On peut évidemment raisonner en terme de déplacement d'équilibre ;
• La liaison d'un activateur allostérique (sur ses sites spécifiques) déplace l'enzyme vers l'état relaché à forte affinité pour le substrat. A concentration saturante en activateur, toutes les sous-unités de l'enzyme sont déplacées sous la forme relachée : le comportement de l'enzyme devient Michaélien (il ne peut plus y avoir de comportement sigmoïdal puisque tout effet coopératif du substrat est aboli puisque l'enzyme n'existe plus que sous la même forme, relachée). On parle parfois de "désensibilisation de l'enzyme".

Voici des illustrations graphiques pour une enzyme allostérique montrant un effet coopératif du substrat et un effecteur activateur et un effecteur inhibiteur allostérique, pour un système K :

allosterie-effecteursk allosterie-effecteursk-2

L'aspartate transcarbamylase d'E. coli (EC 2.1.3.2) (ATCase) catalyse la première réaction de la voie de biosynthèse qui conduit aux nucléotides pyrimidiques :

allosterie-atc (11K)

C'est une enzyme allostérique dont le comportement suit les donnée présentées ci-dessus :
•  cinétique sigmoïdale vi=f([aspartate]) en absence d'effecteur : effet coopératif positif (homotrope positif) de type K du substrat aspartate ;
•  CTP = inhibiteur allostérique, type K (effet hétérotrope inhibiteur de type K). Et des recherches ont montré que la fixation du CTP sur ses propres sites de liaison était coopérative mais à coopérativité négative ! (CTP = effecteur homotrope négatif de sa propre liaison).
• ATP = activateur allostérique, type K (effet hétérotrope activateur de type K).

Et pour finir ce paragraphe, un bon document pdf, à télécharger à http://www.esi.umontreal.ca/~syguschj/cours/BCM1502/Web-Notes/5c_Regulation.pdf


3.3 Systèmes allostériques de type K et de type V

Dans les systèmes K, la protéine passe d'une forme à l'autre sous l'influence de la liaison d'un ligand qui peut être le substrat, ou un effecteur. Les différentes formes ne présentent pas la même affinité pour le substrat.

On peut revoir le vocabulaire donné au paragraphe 5. Pour qualifier par exemple le fait que la liaison d'un activateur A favorise la liaison d'autres molécules de A , on peut parler d'effet homotrope positif de A sur sa propre liaison. Et pour qualifier le fait que l'activateur A déplace vers le(s) états à forte affinité pour le substrat S on parlera d'effet hétérotrope positif de A.

 

Dans les systèmes V, la protéine passe d'une forme à l'autre sans changer d'affinité pour ses ligands, mais c'est la vitesse de l'acte catalytique qui va varier : c'est à dire le coefficient catalytique k0, donc la Vmax.
Et il faut alors savoir regarder les choses de très près, une allure cinétique qui semble à première vue michaélienne peut cacher de l'allostérie ! Voici un lien vers un exemple pour ceux qui veulent en savoir plus :  lien vers le supplément.

Et tous les cas plus complexes, où affinité et k0 sont modifiés paar les mouvements transconformationnels d'allostéries ... Certains auteurs parlent alors d'allostérie K-V.


Et pour finir ce paragraphe, un bon document pdf, à télécharger à http://www.esi.umontreal.ca/~syguschj/cours/BCM2505/Regulation/1_Allosterie.pdf