Niveau concerné: Première S
Partie du programme concernée: Du génotype au phénotype, relations avec l'environnement - Des protéines actives dans la catalyse, les enzymes.
Objectif de connaissances:
Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs biologiques. Les modalités de leur action reposent sur la formation d'un complexe enzyme-substrat
Objectif méthodologiques:
Utiliser des modèles 3D de molécules.
Fichiers pdb nécessaires: cpa.pdb - cpasub.pdb - mut-cpasub.pdb
Après avoir montré, par une étude expérimentale de la catalyse enzymatique, la spécificité de substrat des enzymes on va maintenant expliquer cette spécificité en visualisant en 3D une enzyme et le complexe enzyme-substrat. On pourra également rechercher une explication de l'influence des températures élevées sur l'activité enzymatique.
L'enzyme étudiée ici est la carboxypeptidase, enzyme du
Pancréas qui hydrolyse la liaison peptidique dans laquelle est engagé
un acide aminé C-terminal.
Question 1: Pourquoi
les enzymes possèdent-elles une spécificité de substrat
?
-1/ Etude de la carboxypeptidase seule (cpa.pdb)
| Quelle est la structure de la carboxypeptidase ? | - ouvrir Molusc et choisir "Analyse
d'une molécule". - ouvrir le fichier cpa.pdb - choisir "Afficher" puis "Sphères" |
| La carboxypeptidase à une structure globuleuse = structure en 3D. | |
| Comment est maintenue cette structure ? | - choisir "Afficher" puis "Squelette
carboné". - choisir "Afficher" puis "Liaisons" puis "Liaisons H" |
| Des liaisons hydrogène, entre acides aminés non consécutifs, maintiennent cette structure globuleuse. | |
-2/ Etude de la carboxypeptidase avec son substrat
= complexe enzyme-substrat (cpa-sub.pdb)
| Décrire la position de la molécule de substrat par rapport à la molécule d'enzyme. | - Ouvrir Molusc et choisir "Analyse
d'une molécule". - ouvrir le fichier cpasub.pdb - choisir "Afficher" puis "Sphères" - choisir "Colorer" puis "Chaînes" --> L'enzyme est colorée en bleu et son substrat en rouge. |
| La molécule de substrat est "encastrée" dans une cavité de l'enzyme. | |
| Si on désire voir cette cavité:
- choisir "Sélectionner" puis "Chaînes" puis "S" (pour "Substrat") - choisir "Effacer" puis "Sélection". --> On observe la cavité dans l'enzyme. Pour voir à nouveau le substrat: |
|
-3/ Répondre à la question 1
La spécificité de substrat d'une enzyme peut s'expliquer par le fait que le substrat vient se placer dans une cavité de l'enzyme (qui a une structure globuleuse) lors de la réaction enzymatique. Seul le substrat de l'enzyme peut venir s'y fixer.
Cette cavité de l'enzyme, où vient se loger son substrat
et lui seul, se nomme le site actif de l'enzyme. Nous allons maintenant
étudier plus en détail ce site actif pour répondre à
la question suivante:
Question 2: Pourquoi
la réaction enzymatique ne peut-elle avoir lieu aux températures
élevées ?
-1/ Etude du site actif de la carboxypeptidase
| Déterminer les acides aminés de la carboxypeptidase les plus proches du substrat. | - choisir "Sélectionner"
puis "Chaînes" puis "S" - choisir "Sélectionner" puis "Dans un rayon de" puis "0,3 nm" --> Le logiciel va sélectionner tous les acides aminés de l'enzyme situés dans un rayon de 0,3 nm du substrat. - choisir "Afficher" puis "Identification" puis "Résidus"
|
| Les 6 acides aminés ainsi
sélectionnés sont: His69 - Arg145 - Ser197 - Tyr248 - Gly253
- Glu270 En fait le site actif de l'enzyme est constitué par les 6 acides aminés suivants: His69 - Glu72 - Arg145 - His196 - Tyr248 - Glu270 |
|
| Déterminer la position des acides aminés constituant le site actif au sein de l'enzyme. | Pour sélectionner ces 6 acides aminés:
- taper la ligne de commande suivante: Pour mettre en évidence la position de ces acides aminés dans l'enzyme: - choisir "Sélectionner" puis "Tout". |
| Les 6 acides aminés du site actif ne sont pas des acides aminés consécutifs. Ils sont proches les uns des autres grâce aux repliements de la protéine. | |
| Pour bien mettre en évidence le substrat:
- choisir "Sélectionner" puis "Chaînes" puis "S" puis "Afficher" puis "Sphères". Pour bien mettre en évidence le site actif: Penser à zoomer sur le site actif ! |
|
-2/ Répondre à la question 2
Les hautes températures modifient la structure 3D de l'enzyme (en
rompant les liaisons hydrogènes entre acides aminés) ---> la position relative des acides aminés du
site actif est modifiée ---> l'enzyme ne peut plus agir sur son substrat.
Question 3: Quelle influence sur l'activité enzymatique peut avoir une
mutation au niveau du gène de l'enzyme ?
-1/ Comparaison de la carboxypeptidase mutée
(non fonctionnelle) et de la carboxypeptidas normale:
| Comparer la carboxypeptidase normale et la carboxypeptidase mutée. | - ouvrir Molusc et choisir "Comparaison
de 2 molécules". - cocher "Modèle 1" puis ouvrir le fichier cpasub.pdb - cocher "Modèle 2" puis ouvrir le fichier mut-cpasub.pdb Rq: Pour synchroniser le déplacement des 2 molécules à l'aide de la souris choisir "Option" puis "Synchroniser" puis "Activer" - cocher "Les 2 modèles" puis cliquer sur "Mode séquence". |
| La carboxypeptidase mutée possède de la Glycine (GLY) en position 69 à la place de l'Histidine (HIS). | |
-2/ Répondre à la question 3.
L'acide aminé remplacé à
cause de la mutation est un des acides aminés du site actif. On peut
comprendre que cette modification empêche l'enzyme d'agir correctement
sur son substrat: elle devient non fonctionnelle.
Pour aller plus loin:
| Le site actif de l'enzyme
est composé:
- d'un site de fixation qui se lie au substrat: il est constitué par les acides aminés Arg145 - Tyr248 - Glu270. - d'un site catalytique responsable de l'activité enzymatique: il est constitué par les acides aminés His69 - Glu72 - His196. Mettre en évidence ces 2 sites sur la molécule d'enzyme avec 2 couleurs différentes. |
on peut laisser les élèves
trouver la démarche pour colorer ces 2 sites.
Pour les 6 acides aminés du site de fixation taper la ligne
de commande suivante: Pour les 6 acides aminés du site de fixation taper la ligne
de commande suivante: |
Là encore on peut comprendre l'influence d'une mutation si celle-ci
modifie un acide aminé du site de fixation (comme c'est la cas avec
la mutation présentée plus haut) ou du site catalytique.
Comment ouvrir un fichier pdb avec Molusc:
Les fichiers pdb nécessaires doivent avoir été téléchargés auparavant (voir introduction) puis placés dans un dossier.
Pour les ouvrir cliquer sur "Parcourir" (Browse en anglais) puis dans la boîte de dialogue qui s'affiche choisir dans le menu déroulant "Type" l'option "tous les fichiers" (All files en anglais) - Cliquer sur le fichier choisi puis sur "ouvrir".
De nouveau cliquer sur "ouvrir" dans la fenêtre de Molusc. La représentation 3D de la molécule s'affiche alors.