1. Enzymes et régulation

Les enzymes sont les catalyseurs des réactions du métabolisme cellulaire donc ils régulent activement ce métabolisme.

Un premier niveau de régulation simple est exercé par le substrat ou le produit de la réaction.

• Une concentration élevée en substrat accélère la vitesse de réaction.
• Une concentration élevée en produit abaisse la vitesse de réaction.

En outre, une concentration élevée en produit inhibera la première étape permettant sa formation (rétrocontrôle).
Dans une chaîne réactionnelle, un substrat initial peut mener à deux produits différents.
Un produit pourra inhiber sa voie pour favoriser l'autre.

Un second niveau de régulation est la modification covalente réversible de l'enzyme, entraînant son activation ou inactivation.

A un niveau plus élevé, la régulation de l'activité enzymatique peut s'effectuer par la modulation de sa concentration, via une régulation de sa synthèse. La régulation est réalisée soit de façon transcriptionnelle soit de façon traductionnelle. Ce mécansime correspond généralement à des enzymes spécifiques de certaines situations et de certains tissus.
Certains enzymes ne sont jamais régulés de cette façon car jouant un rôle essentiel dans différentes cellules et à tout instant. Ce sont les enzymes domestiques.

Ultime processus de régulation, les enzymes étant des protéines, ils seront concernés par les processus de dégradation.

Ces différents modes de régulation sont exercés sur les protéines monomériques. Pour les protéines plus complexes, on observera d'autres types de régulations.
Pour les protéines à structure quaternaire on retient la notion de systèmes multienzymatiques. On dissocie ces sytèmes protéiniques complexes en sous-unités apoenzymatiques individuellement associées à un coenzyme spécifique. Ce seront autant d'unités fonctionnelles à réguler individuellement.

2. Coopérativité et allostérie

Ces processus de régulation ne concernent exclusivement que les protéines à structure quaternaire.
Les protéines à structure quaternaire ne présentent pas obligatoirement ces processus de régulation.

Elles sont composées d'oligomères composés de plusieurs protomères. Un protomère peut lui même être formé d'une ou plusieurs sous-unité protéiques. Généralement l'oligomère comporte un nombre pair de protomères permettant de définir structuralement un axe de symétrie.
Un protomère portera un seul site de fixation pour chaque catégorie de ligand. Une enzyme allostérique est donc capable de fixer au moins deux types de molécules :

• le substrat
• l'effecteur allostérique.

Donc on dénombre au moins deux sites de fixation sur le protomère : un site catalytique pour le substrat et un site régulateur pour l'effecteur allostérique.

L'allostérie se définit comme étant l'altération des propriétés d'une enzyme, de son affinité pour son substrat et/ou son activité catalytique. Ceci sera du à un ligand à la structure distincte de celle du substrat. Il ne se fixera donc jamais sur le site catalytique.

2.1. La coopérativité

Ce sont les interactions homotropes entre sites catalytiques. C'est l'effet de la fixation du substrat sur sa propre fixation sur les autres sous-unités.

On distingue deux formes:

• une forme T à faible affinité pour le substrat,
• une forme R à forte affinité pour le substrat.

Si l'on étudie v= f([S]) on obtient une courbe sigmoïde.
Pour une faible variation de la [S], l'enzyme est soit totalement actif, soit totalement inactif.

2.2. L'allostérie

Ce sont les interactions hétérotropes entre sites régulateurs et sites catalytiques. C'est l'effet de la fixation de l'effecteur allostérique sur la fixation du substrat et/ou sa transformation en produit. C'est l'effet d'un effecteur, autre que le substrat, modifiant de façon discrète et réversible la structure spatiale de la molécule.

• Un effecteur inhibiteur favorisera le maintien de la forme T de l'enzyme.
• Un effecteur activateur favorisera le maintien de la forme R de l'enzyme.

2.3. Exemples

Ces interactions hétérotropes amènent à la notion de transmission intramoléculaire des signaux, transmission entre protomères.
Etudions par exemple l'aspartate transcarbamylase catalysant la première réaction de la voie de biosynthèse des nucléotides pyrimidiques. Elle est constituée de 6 sous-unités catalytiques maintenues en place par 6 sous-unités régulatrices. Ses substrats sont le carbamylphosphate et l'aspartate, se fixant successivement l'un après l'autre pour aboutir aux produits :
enzyme + carbamylaspartate + phosphate.

L'aspartate transcarbamylase possède 3 axes de symétrie : un principal vertical et deux autres horizontaux secondaires. Sous forme T, sans substrat, la molécule est repliée. L'ajout d'aspartate permet la transition à la forme R (relâchée) par la rotation des sous-unités régulatrices autour de leurs axes de symétrie. L'effet de coopérativité est réalisé suite à l'ajout d'aspartate, c'est une coopérativité dite "positive".

• Les effecteurs allostériques de l'aspartate transcarbamylase sont le CTP et l'ATP.
• Le CTP, produit de la voie des nucléotides pyrimidiques, sera un effecteur inhibiteur.
• L'ATP, produit de la voie des nucléotides puriques, sera un effecteur activateur.
• Ils seront en compétition pour la régulation car ils ne peuvent se fixer que sur un seul et même site : le site régulateur. L'enzyme sera donc régulée par le rapport ATP/CTP de la cellule.

3. Modèles théoriques

2 modéles relatifs à la coopérativité existent :

• le modéle concerté de Monod,
• le modéle séquentiel de Koshland.

Dans les deux modéles on étudie une molécule tétramérique (4 protomères) sous modulation homotrope. Le principe de base à retenir est que toute sous-unité catalytique fixant le substrat subit une déformation qui va se transmettre aux autres sous-unités et donc modifier leur affinité pour le substrat.
Ces modèles étudient donc des sous-unités spatiales présentant les formes T et R.

3.1. Modèle de Monod

Ce modèle est très simple: il n'admet que deux formes possibles pour la molécule: soit T4 (en l'absence de substrat), soit R4 (en présence de substrat).
Il admet également que :

• la symétrie est conservée,
• les changements de conformation concernent toutes les sous-unités en même temps (modèle concerté),
• le ligand se fixera aux formes T ou R selon des affinités différentes,
• c'est la fixation du ligand qui modifie l'équilibre entre les formes R et T.

3.2. Modèle de Koshland

Les changemens de conformations s'effectuent en cascade, de façon séquentielle. Une sous-unité fixe le substrat, change de conformation et transmet ce changement à une sous-unité voisine qui va alors pouvoir fixer le substrat...
Il apparait donc que la conservation de la symétrie n'est pas toujours réalisée. On peut alors observer des formes hybrides où les formes T et R coexistent.
Ce modèle est une extension, une généralisation du modéle de Monod.

Ces phénomènes et modèles démontrent donc l'importance de la relation structure/fonction au sein d'une molécule et l'absolue nécessité du maintien de leur intégrité pour un fonctionnement cellulaire correct.

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