Chapitre 15: Les enzymes, les outils de la cellule.

Pourquoi l’herbe ne pousse-t-elle pas en hiver ? Pourquoi n’y a-t-il pas d’insectes en hiver? Que sont ces détergents aux multi-enzymes qui dévorent les tâches?

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Notions à comprendre:

Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques, ce qui veut dire que la vitesse à laquelle se réalise ces réactions chimiques est beaucoup plus grande avec l’enzyme que sans l’enzyme.

Ces réactions sont spécifiques du substrat: chaque enzyme ne reconnait qu’un seul type de substrat. La structure tridimensionnelle de la molécule lui permet d’interagir avec un seul substrat: il existe une relation de type clé-serrure entre l’enzyme et son substrat. Cette structure tridimensionnelle explique les spécificités de substrat mais aussi d’action. Une enzyme ne catalyse qu’une seule action: on parle de spécificité de substrat et d’action. A la fin de la réaction, l’enzyme est de nouveau prête à catalyser une autre réaction.

Toute enzyme possède des optimums de fonctionnement : pH, température et concentration en substrat. Les enzymes sont donc les outils de la cellule. Les enzymes, qui sont des protéines, résultent de l’expression du patrimoine génétique; une mutation peut entrainer le non-fonctionnement de l’enzyme et par conséquent une maladie dite génétique ( comme le xeroderma pigmentosum)

Auto-test sur le métabolisme cellulaire:

Introduction:

Depuis 1812, on sait que certaines substances sont capables d’accélérer des réactions chimiques sans être elles-mêmes modifiées par la réaction. Ce type de substance chimique est appelé par le chimiste un catalyseur. Les catalyseurs connus à l’époque étaient des métaux comme le platine et on n’en trouvait pas chez les êtres vivants. Ce furent deux chimistes français, A. Payen (1795-1871) et J.F. Persoz (1805-1868) qui démontrèrent en 1830 qu’une substance extraite de l’orge germé est capable de provoquer la dégradation de l’amidon dans des conditions compatibles avec la vie et à une vitesse bien supérieure à celle obtenue par les moyens de la chimie (nécessitant de chauffer l’amidon à 100°C en présence d’un acide fort). Trois ans plus tard, ils isolent la substance et montrent qu’une substance similaire est présente dans la salive. Il existe donc des catalyseurs chez les êtres vivants. C’était la première enzyme (qu’on appela alors « diastase ») dont l’existence était ainsi mise en évidence même si le nom fut créé seulement en 1878 par W. Kühne.

Notre but est de comprendre pourquoi les catalyseur biologiques que sont les enzymes sont si efficaces, si rapides pour réaliser une réaction chimique.

Commençons notre exploration de ce domaine qu’est la biochimie par une étude de l’hydrolyse de l’amidon de trois manières différentes et voyons ce que cela nous apprend.

Comment fait-on pour digérer des frites ou de la purée ?

TP: Hydrolyse de l’amidon réalisée de trois manières différentes: notion de catalyseur

L’amidon est une molécule des sucres lents: pâtes, pain, riz, semoule. Notre corps le transforme en nutriment: le glucose qui peut alors passer dans notre sang, c’est ce que l’on nomme la digestion. Cette transformation peut se faire dans l’acide chlorhydrique de notre estomac et pourtant, notre corps fabrique une protéine, l’amylase salivaire (une enzyme libérée dans la bouche) pour faire la même réaction chimique, d’où la question : pourquoi notre dépense-t-il de l’énergie à fabriquer une protéine pour catalyser une réaction chimique qui pourrait se faire seule dans l’acide chlorhydrique de notre estomac?

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Remarques:

  • le test à la liqueur de Fehling est plus efficace si le liquide est chaud : du bleu, on passe à un précipité rouge;
  • le test au Lugol peut se faire à froid: du jaune on passe au bleu foncé;
  • les temps sont en minutes;
  • Vous avez besoin d’une plaque alvéolée pour tester vos tubes notamment votre tube 4 à différents moments.
2 page 29 Hydrolyse acide de l'amidon
3 page 29 Hydrolyse enzymatique de l'amidon

A retenir:

L’expérience précédente nous a montré que l’hydrolyse de l’amidon en glucose était beaucoup plus rapide avec une enzyme, l’amylase, qu’avec de l’acide chlorhydrique. Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques, ce qui veut dire que la vitesse à laquelle se réalise ces réactions chimiques est beaucoup plus grande avec l’enzyme que sans l’enzyme.

Réaction catalysée par l’amylase du tube digestif:

amidon + amylase => n glucose + amylase

Comment la plante fabrique-t-elle une pomme de terre?

TP: La mise en évidence de la spécificité enzyme-substrat

Nous cherchons maintenant à comprendre ce qui rend l’enzyme aussi rapide. On émet l’hypothèse que l’enzyme reconnait son substrat et pas un autre, un peu comme une clé reconnait une serrure.

Pour tester cette hypothèse, nous allons nous intéresser au plant de pomme de Terre qui possède des tubercules souterrains (=la pomme de terre), dans lesquels est stocké de l’amidon. L’amidon est une très longue molécule formée par l’assemblage de petites molécules de glucose que la feuille fait grâce à la photosynthèse. L’amidon représente donc une réserve énergétique pour la plante, et nous la lui subtilisons en la ramassant et en la mangeant en purée ou en frites. La synthèse de l’amidon c’est-à-dire l’assemblage des molécules de glucose est assurée par une enzyme: l‘amylo-synthétase (ou amidon-synthétase), présente dans le tubercule, que l’on va extraire grâce au dispositif ci-dessous.

Réaction catalysée par l’amylo-synthétase des cellules du tubercule:

n glucose + amylo-synthétase => amidon + amylo-synthétase

Dispositif expérimental pour extraire l’amylo-synthétase:

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L’amidon est stocké sous forme de grain appelé amyloplastes que l’on voit ci-dessous:

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Pour tester notre hypothèse, nous disposons soit de glucose soit de glucose-1-P et nous supposons que l’enzyme reconnait soit l’un soit l’autre.

Préparez 3 séries de 3 tubes:

  • Série 1: 3 tubes contenant 2 ml de filtrat de Pomme de terre + 2 ml d’eau distillée
  • Série 2: 3 tubes contenant 2 ml de filtrat de Pomme de terre + 2 ml de glucose-1-P
  • Série 3: 3 tubes contenant 2 ml de filtrat Pomme de terre + 2 ml de glucose

Ces tubes sont mis au bain-marie à 35°C; 1ml de chaque série est prélevé toutes les minutes puis testé au Lugol.

Réalisez les 3 séries d’expérience et déduisez-en une caractéristique du fonctionnement de cette enzyme.

Résultats:

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Entrainement à l’épreuve de capacité expérimentale du Bac:

(Source: APBG n°4, 2019)

Si on raffole d’une banane bien mûre, en général, on déteste la banane qui ne l’est pas: que se passe-t-il dans le fruit lors du processus de murissement ? C’est ce que nous cherchons. A vous de jouer !

Si notre salive produit de l’amylase, la banane aussi ! C’est ce que ce TP se propose de montrer à plusieurs niveaux d’organisation :

  • Au niveau cellulaire : par la préparation et l’observation cellulaire de pulpe de banane ;
  • Au niveau moléculaire : en réalisant une expérience sur gel d’amidon.

Matériel :

  • 1 demi-banane verte (les moins mûres possibles) et 1 demi-banane mure par groupe ;
  • De l’eau iodée ;
  • De la liqueur de Fehling ;
  • 2 Boites de Pétri par groupe ;
  • 1g d’agar-agar ;
  • 1g d’amidon technique ;
  • De l’empois d’amidon ;
  • 1 Mortier + 1 pilon ;
  • 1 scalpel ;
  • 5 Tubes à essais sur portoir ;
  • Stylo pour écrire sur le verre.

Protocole: Préparation de deux gels d’amidon dans deux boites de Pétri.

  • Pour préparer les gels d’amidon, il suffit de peser 1g d’agar-agar et de le mettre dans 100ml d’eau du robinet qui commence à bouillir.
  • Agiter continuellement.
  • Retirer de la source de chaleur quand la solution est translucide.
  • Ajouter 1g d’amidon dans la solution bien chaude et bien remuer, voire même écraser le grumeau d’amidon sur la paroi.
  • Verser dans une grande boite de Pétri un peu de solution et faire des mouvements circulaires pour obtenir un gel d’amidon de de 3mm de hauteur.
  • Faire une 2e boîte.
  • Laisser refroidir, boite fermée, à température ambiante.

Expérience 1: cette expérience permet de tester la production d’amylase par la banane en fonction de son degré de murissement.

  • L’expérience consiste à déposer sur le gel d’amidon une tranche de banane mûre et une tranche de banane verte. Veillez à ce que les tranches soient approximativement de la même taille, épaisseur et diamètre, pour pouvoir comparer les résultats. Noter sous la boîte avant de poser les bananes où vous mettez la mûre et la verte.
  • Il est également possible de comparer les effets d’une banane mûre ou verte avec une pastille de papier absorbant imbibée d’amylase (= Maxillase du commerce) servant de témoin positif et une pastille imbibée d’eau servant de témoin négatif. Noter sous la boîte les différentes pastilles.
  • Il faut attendre une vingtaine de minutes.
  • Pour observer les résultats, il faut enlever les morceaux de banane et/ou les pastilles et verser l’eau iodée sur le gel.
  • Prenez une photo, partagez-la.

Expérience 2 : cette expérience permet de tester le type de sucre présent dans la banane mûre.

  • Pour récupérer le jus de banane, écraser un morceau de banane dans un mortier avec un peu d’eau ; il est possible de filtrer la solution pour enlever la pulpe mais ce n’est pas nécessaire.
  • Récupérer un peu de jus avec une pipette dans un 1er tube à essai et réaliser le test à la liqueur de Fehling. Pour cela, voir la vidéo suivante: (attention: lorsque l’on chauffe, il peut y avoir des projections, du coup, il faut diriger le tube vers un mur)
  • Dans un 2e tube, réaliser le test à l’eau iodée (à froid).
  • Écrire sur les tubes à essai le contenu du tube.
  • Réaliser deux autres tubes témoins : l’un avec de l’empois d’amidon et de l’eau iodée ; l’autre avec de l’empois d’amidon, de l’amylase et de l’eau iodée.
  • Prenez une photo, partagez-la.

Expérience 3 : Elle consiste à faire l’observation microscopique de la pulpe de banane verte. Elle permet de mettre en évidence les amyloplastes de la banane et de montrer que le mûrissement du fruit entraine l’hydrolyse de l’amidon par l’action de l’amylase.

  • Pour cela il suffit de monter entre lame et lamelle, de la pulpe de banane verte préalablement colorée à l’eau iodée diluée.
  • Observer, photographier, partager.

Conclusion: répondre à la question posée au départ.

Documents de cours (extraits de « Biologie » de Neil Campbell):

A retenir:

Ces réactions sont spécifiques du substrat: chaque enzyme ne reconnait qu’un seul type de substrat. La structure tridimensionnelle de la molécule lui permet d’interagir avec un seul substrat: il existe une relation de type clé-serrure entre l’enzyme et son substrat. Cette structure tridimensionnelle explique les spécificités de substrat mais aussi d’action. Une enzyme ne catalyse qu’une seule action: on parle de spécificité de substrat et d’action. A la fin de la réaction, l’enzyme est de nouveau prête à catalyser une autre réaction

Notion d’optimum de fonctionnement:

16 page 36 Activité d'enzyme digestives en fonction de la température
20 page 37 pH et activité d'enzymes digestives

Les enzymes, des protéines comme les autres !

Le xéroderma pigmentosum est une maladie qui se traduit pas une hypersensibilité de la peau aux U.V. Les enzymes de réparation des dimères de thymine formés par les U.V ne fonctionnent pas: on cherche à savoir pourquoi. Chez un individu sain, l’enzyme s’appelle XPfnorm ; chez des individus malades, les enzyme s’appellent XPf1, 2, 3…

Traduire les séquences des protéines XPfnorm, XPf1 et XP2 à l’aide du logiciel Anagène :

  • Banque de séquence; Première S; Genotype; Complexité des relations génotype-phénotype; Xeroderma; Plusieurs génotypes pour un même phénotype;

Sachant que XPfnorm est une enzyme qui corrigent les effets des rayons U.V  et que ces deux variantes XPf1 et XPf2 ne corrigent pas ces effets, proposez une hypothèse expliquant le non-fonctionnement des enzymes XPf1 et XPf2.

Étude sur l’amylase:

amylase
amylase copie

D’après Magnard.

APBG Fiche verte amylase banane1
APBG Fiche verte amylase banane2

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