Les enzymes : les machines moléculaires qui font tourner votre corps

En 1897, dans un laboratoire de l'université de Tübingen, Eduard Buchner broya des cellules de levure vivantes avec du sable de quartz et un pilon en bois jusqu'à les faire éclater, puis pressa la masse écrasée à travers un linge pour recueillir un jus pâle et dépourvu de cellules. Il n'y avait rien de vivant dans ce liquide ; chaque cellule de levure avait été réduite en fragments. Et pourtant, lorsque Buchner ajouta du sucre à ce jus, celui-ci se mit à fermenter, transformant ce sucre en alcool exactement comme l'aurait fait une colonie de levures vivantes.

Cela était censé être impossible. Pendant la plus grande partie du dix-neuvième siècle, la fermentation était brandie comme preuve d'une « force vitale », une propriété essentielle de la vie qu'aucune chimie morte ne pouvait reproduire. Cette idée avait déjà reçu une première blessure en 1828, lorsque Friedrich Wöhler synthétisa de l'urée, un composé fabriqué par les reins vivants, à partir de sels inorganiques dans un bécher ; le jus dépourvu de cellules de Buchner porta le second coup. La chimie du vivant, il s'avéra, n'était que de la chimie, menée par des molécules qui continuaient de travailler même après la mort des cellules qui les avaient fabriquées. Ces molécules étaient des enzymes, et cet article répond à une question d'une simplicité trompeuse : que fait exactement une enzyme, et comment parvient-elle à réaliser une chimie qui prendrait autrement des siècles ?

Un catalyseur qui ne coûte rien et ne change rien

Une enzyme est un catalyseur protéique, et cette expression porte plus de poids qu'il n'y paraît. Un catalyseur accélère une réaction chimique sans être consommé et sans modifier le point d'équilibre final que la réaction atteint ; l'enzyme ressort exactement dans l'état où elle est entrée, libre de saisir la molécule suivante et de tout recommencer, des milliers ou des millions de fois par seconde.

Surtout, une enzyme ne modifie pas l'équilibre d'une réaction, c'est-à-dire qu'elle ne change pas la quantité de produit que l'on obtient au final une fois que tout s'est stabilisé ; si une réaction finissait par convertir d'elle-même dix pour cent de sa matière de départ en produit, l'enzyme en fournit toujours dix pour cent. Ce qu'elle change, c'est le temps, menant à terme en quelques millisecondes une réaction qui pourrait exiger des années ou des millions d'années. Les chiffres sont vertigineux : une enzyme typique accélère sa réaction d'un facteur compris entre dix puissance six et dix puissance dix-sept par rapport au taux non catalysé, de sorte qu'un processus qui prendrait autrement plus de temps que l'âge de l'univers peut se produire en moins de temps qu'il ne faut pour cligner des yeux.

La colline que chaque réaction doit gravir

Pour comprendre comment une enzyme y parvient, imaginez le paysage que chaque réaction chimique doit traverser. Même les réactions qui libèrent de l'énergie et qui « veulent » se produire affrontent un obstacle : les molécules réactives reposent dans une vallée confortable de basse énergie, et avant de pouvoir se réorganiser en produits, elles doivent d'abord franchir une barrière d'énergie, un sommet que les chimistes appellent l'énergie d'activation, abrégée Ea. L'atteindre exige des molécules qu'elles se plient, s'étirent et se contorsionnent en un arrangement tendu et instable appelé l'état de transition, une configuration qui n'existe qu'un instant, tout au sommet de la colline.

La hauteur de cette colline est ce qui rend la plupart des réactions biologiques impossiblement lentes à la température du corps. Une idée fausse répandue veut que les enzymes fonctionnent en ajoutant de l'énergie pour pousser les molécules par-dessus le sommet, mais ce n'est pas ce qui se passe. Une enzyme n'aplanit pas la colline et n'injecte pas d'énergie supplémentaire ; au contraire, elle taille un chemin différent et plus bas à travers elle en se liant à cet état de transition tendu et en le stabilisant, abaissant l'énergie requise pour atteindre le sommet. Le substrat part toujours de sa vallée et le produit finit toujours dans la suivante, avec la même différence d'énergie qu'auparavant, mais l'enzyme offre un passage plus doux, et comme bien plus de molécules ont assez d'énergie pour franchir une barrière basse qu'une barrière haute, la vitesse de réaction grimpe de plusieurs ordres de grandeur.

À l'intérieur du site actif, et le gant qui se remodèle lui-même

Tout ce travail de catalyse se déroule dans un endroit remarquablement petit. La majeure partie de la masse d'une enzyme, une chaîne de centaines d'acides aminés repliée en une forme tridimensionnelle complexe, existe pour soutenir et positionner une minuscule région : une poche à la surface de la protéine appelée le site actif, où le substrat (la molécule spécifique sur laquelle l'enzyme agit) se lie et où la catalyse se produit. La poche est délicatement façonnée, chargée et chimiquement accordée pour reconnaître un substrat particulier et bercer son état de transition, de sorte que la bonne molécule s'y glisse et est maintenue dans la bonne orientation tandis que toutes les autres molécules de la soupe encombrée de la cellule sont exclues. C'est grâce à cette spécificité que vos cellules peuvent mener des milliers de réactions distinctes à la fois sans chaos.

À quel point le substrat s'ajuste-t-il à sa poche ? La première réponse vint d'Emil Fischer en 1894, qui proposa le modèle de la clé et de la serrure : le substrat s'ajuste au site actif comme une clé s'ajuste à une serrure, de façon rigide et exclusive, avec une forme complémentaire usinée pour correspondre. C'est une image élégante, mais elle n'était pas tout à fait exacte. En 1958, Daniel Koshland l'affina avec le modèle de l'ajustement induit, dans lequel le site actif n'est pas une cavité rigide mais une structure flexible qui se remodèle autour du substrat à mesure que les deux se rejoignent, comme un gant épousant une main plutôt qu'une fente acceptant une pièce. L'événement de liaison lui-même tord l'enzyme en une étreinte plus serrée et plus efficace sur le plan catalytique, qui contraint le substrat vers son état de transition. La cristallographie aux rayons X confirma plus tard que c'est bien l'ajustement induit qui se produit réellement, et le modèle de la clé et de la serrure ne survit que comme le modèle historique plus simple.

Compter la catalyse : la courbe de Michaelis-Menten

Les enzymes ne sont pas seulement des machines qualitatives ; leur comportement obéit à des mathématiques précises. En 1913, Leonor Michaelis et Maud Menten publièrent une équation cinétique qui ancre encore le domaine un siècle plus tard, reliant la vitesse de réaction, v, à la concentration en substrat, notée [S] :

v = (Vmax · [S]) / (Km + [S])

La forme que trace cette équation est une hyperbole. Aux faibles concentrations en substrat, la vitesse de réaction grimpe de façon abrupte, car les sites actifs vides sont nombreux et ajouter davantage de substrat en met davantage au travail. Mais à mesure que le substrat devient abondant, la courbe s'aplatit en un plateau, car une fois que chaque site actif est occupé et travaille aussi vite qu'il le peut, davantage de substrat ne peut accélérer les choses. Ce plafond est Vmax, la vitesse maximale.

Enfouie dans l'équation se trouve l'une des constantes les plus utiles de la biochimie, Km, la constante de Michaelis, définie comme la concentration en substrat à laquelle la réaction se déroule à exactement la moitié de sa vitesse maximale. En termes pratiques, Km mesure à quel point une enzyme retient son substrat : un Km faible signifie que l'enzyme atteint la mi-vitesse même lorsque le substrat est rare, ce qui indique une forte affinité, tandis qu'un Km élevé signifie qu'elle a besoin d'une abondance de substrat pour se mettre en route.

Nommer les enzymes, et les partenaires sans lesquels elles ne peuvent travailler

Avec des dizaines de milliers d'enzymes réparties dans l'ensemble du vivant, les biochimistes avaient besoin d'un système pour les organiser. Chaque enzyme est classée dans l'une des six grandes classes, chacune nommée d'après la réaction qu'elle catalyse : les oxydoréductases qui déplacent des électrons, les transférases qui font la navette de groupes chimiques entre les molécules, les hydrolases qui scindent des liaisons à l'aide d'eau, les lyases qui rompent ou forment des liaisons sans eau, les isomérases qui réarrangent la structure d'une molécule, et les ligases qui joignent deux molécules en utilisant de l'énergie. L'Union internationale de biochimie formalisa ce schéma en 1961, attribuant à chaque enzyme un code EC à quatre chiffres (pour Enzyme Commission) qui se lit comme une adresse postale rétrécissant de la classe à la sous-classe, puis à la sous-sous-classe, et enfin à un numéro de série. La lactase porte le code EC 3.2.1.108, le 3 de tête la désignant comme une hydrolase.

Beaucoup d'enzymes ne peuvent accomplir leur tâche avec la seule protéine ; elles requièrent un partenaire non protéique pour compléter la machinerie catalytique. Parfois ce partenaire est un ion métallique, appelé cofacteur, comme le zinc, le magnésium ou le fer, qui prête sa charge pour saisir un substrat ou faire la navette des électrons. D'autres fois c'est une petite molécule organique appelée coenzyme, parmi lesquelles NAD+, FAD et coenzyme A, qui agissent comme des transporteurs amovibles acheminant des groupes chimiques ou des électrons d'une réaction à l'autre. Ici, la chimie des enzymes touche directement à votre alimentation, car la plupart des coenzymes sont construites à partir de vitamines, que votre corps ne peut synthétiser et doit se procurer dans la nourriture. Voilà pourquoi les vitamines comptent tant en si petites quantités : une carence en une seule vitamine met hors service toute une classe de réactions enzymatiques qui dépendent de la coenzyme qu'elle construit, ce qui explique pourquoi les maladies de carence, du scorbut au béribéri, sont au fond des maladies d'enzymes invalidées.

Comment les enzymes sont ralenties et brisées

Si l'on peut accélérer une réaction, on peut aussi la ralentir, et les molécules qui se lient à une enzyme et réduisent son activité sont appelées inhibiteurs. Trois grands schémas importent. Dans l'inhibition compétitive, l'inhibiteur ressemble suffisamment au substrat pour rivaliser avec lui pour le site actif, bloquant la porte de sorte que le véritable substrat ne puisse entrer. Dans l'inhibition non compétitive, il se lie à un site allostérique distinct et déforme à distance la forme de l'enzyme, de sorte que le site actif ne fonctionne plus. Dans l'inhibition incompétitive, il ne se lie qu'une fois le substrat amarré. Il ne s'agit pas d'une taxonomie purement académique, car presque toutes les grandes classes de médicaments exploitent l'un de ces schémas : les statines, qui font baisser le cholestérol, sont des inhibiteurs compétitifs d'une enzyme de la voie de synthèse du cholestérol, tandis que les inhibiteurs de l'ECA contre l'hypertension bloquent une enzyme qui régule la constriction des vaisseaux sanguins.

L'inhibition est une ingérence réversible, mais les enzymes peuvent aussi être détruites purement et simplement. Chaque enzyme possède une température et un pH auxquels elle fonctionne le mieux, un optimum qui reflète les conditions que ses cellules connaissent normalement ; les enzymes humaines sont accordées pour environ la température du corps et l'acidité du compartiment qu'elles habitent. Poussez une enzyme au-delà de ces limites et quelque chose d'irréversible se produit : le réseau de liaisons faibles qui maintient la protéine dans son repliement tridimensionnel précis cède, la structure se défait, le site actif s'effondre, et la catalyse s'arrête. Cette perte de forme et de fonction est appelée dénaturation, et on peut la voir se produire dans n'importe quelle cuisine. Lorsque vous cassez un œuf dans une poêle chaude, le blanc d'œuf transparent devient opaque et solide à mesure que les protéines se dénaturent, leurs chaînes repliées se déroulant et s'enchevêtrant en un solide désordonné qu'aucun refroidissement ne pourra défaire. C'est la même physique qui rend une forte fièvre dangereuse : vos enzymes ne peuvent survivre bien au-delà des conditions pour lesquelles elles ont évolué.

De la bouche aux dix derniers mille ans

Deux exemples du quotidien ancrent toute cette cinétique abstraite dans votre propre biologie. Le premier est l'amylase salivaire, qui commence à digérer l'amidon à l'instant même où la nourriture entre dans votre bouche. Si vous gardez un simple cracker sur votre langue assez longtemps, vous pouvez le sentir devenir légèrement sucré, la sensation de l'amylase découpant des chaînes d'amidon sans goût en sucres sucrés avant même que vous n'ayez avalé.

Le second est la lactase, l'enzyme qui digère le lactose, le sucre du lait. La plupart des mammifères cessent de produire de la lactase après le sevrage, et pendant la plus grande partie de l'histoire humaine les adultes ne pouvaient pas digérer le lait. Mais la capacité à continuer de produire de la lactase à l'âge adulte, appelée persistance de la lactase, est apparue comme un changement génétique qui s'est répandu rapidement dans les populations qui ont adopté l'élevage laitier. Au cours des dix derniers mille ans environ, ce trait a balayé une grande partie de l'Europe et certaines régions d'Afrique, un cas d'école de l'évolution humaine prise sur le fait, mû par le simple avantage de boire le lait des animaux que nos ancêtres élevaient.

À retenir

Les enzymes sont des catalyseurs protéiques qui abaissent l'énergie d'activation des réactions biologiques, les accélérant d'un facteur de dix puissance six à dix puissance dix-sept sans être consommées et sans déplacer l'équilibre de la réaction ; elles fonctionnent en stabilisant l'état de transition tendu à l'intérieur d'une poche finement accordée appelée le site actif, qui se remodèle autour de son substrat spécifique par ajustement induit plutôt que par la rigide clé-serrure qu'Emil Fischer proposa en 1894. Leur comportement est saisi par l'équation de Michaelis-Menten de 1913, avec Km marquant la concentration en substrat à la moitié de la vitesse maximale, et chaque enzyme est nommée selon le système EC à six classes de 1961. Beaucoup d'enzymes dépendent de cofacteurs métalliques ou de coenzymes dérivées de vitamines, ce qui explique pourquoi une carence en vitamine met hors service des classes entières de réactions ; les inhibiteurs qui les bloquent, de façon compétitive, non compétitive ou incompétitive, sous-tendent la plupart des médicaments modernes ; et pousser n'importe quelle enzyme au-delà de son optimum de température ou de pH la dénature, le même délitement que vous observez quand un blanc d'œuf devient opaque. De l'amylase qui sucre un cracker à la persistance de la lactase qui permet à certains adultes de digérer le lait, la ligne qui relie le jus de levure sans vie de Buchner en 1897 à votre propre métabolisme est une seule et même chose : la chimie du vivant est de la chimie, menée par des machines moléculaires qui continuent de travailler longtemps après que nous cessons d'y penser.